Особенности металлоконструкций

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовая работа по металлоконструкциям

Выполнил: Казначеев И. В.

Проверил: Девятов В. В.



1. Балочная клетка нормального типа. Схема балочной клетки

Компоновка варианта.

Принимая ориентировочно пролёт настила равным 1м, по табл. п3. находим , затем по табл. п4. устанавливаем рекомендуемую толщину настила .

Тогда пролёт настила

где: пролёт настила

коэффициент надёжности по назначению, численное значение которого = 0,95.

норма прогиба

.

коэф. Пуассона

Требуемое количество шагов балок настила в пределах пролёта главной балки

пролёт главной балки

Округляя количество шагов большую сторону до целого чётного числа, (на основе ограничений по компоновке варианта), окончательно К=9.

Фактический шаг балок настила

.

Компоновка варианта

Рис.1 Компоновка балочной клетки нормального типа.

2. Расчёт балки настила

Расчетная схема настила

Расчетную схему балки настила принимаем в виде однопролетной шарнирно-опертой балки пролётом 400 см, загруженной равномерно распределённой погонной нагрузкой, собираемой с грузовой площади шириной

Рис.2 Расчётная схема настила: 1- настил 2- балка настила 3- сварные швы

Сбор нагрузок

В соответствии с рис. 2 погонная нормативная нагрузка на балку настила

Где 1.02, коэффициент, учитывающий собственный вес балки

, коэффициент сочетания нагрузок

коэффициент надёжности постоянных нагрузок, для стальных конструкций =1,05.

коэффициент надёжности постоянной нагрузки 1,1 приведено в задании на проектирование.

шаг балок настила

плотность стали

Погонная расчетная нагрузка:

Статический расчёт балки настила в соответствии с принятой расчётной схемой

Подбор сечения балки настила

Требуемые геометрические характеристики сечения балки:

-момент сопротивления

Где коэффициент, учитывающий ограниченных пластических деформаций в сечении балки =1,1 по ГОСТ 8239-89

расчётное сопротивление стали по пределу текучести (табл. П2) ГОСТ 27772-88

, коэффициент условий работы

-момент инерции

.

Где 167, при пролёте балки l=4м.

По ГОСТ 8239-89 принимаем I №30 с J_x =7080 см⁴, W_x=472см³, b_f=13,5см, P_bn=36,5кг/м, t_wbn =0,65см

Одновременно должно выполняться неравенство W_x > W_req; J_x ? J_req.

Уточняем толщину настила

Окончательно t_n=9мм.

Расход стали по варианту:

Балочная клетка усложнённого типа

Компоновка варианта. В соответствии с ограничениями по компоновке варианта шаг второстепенных балок принимаем b=2м.

Количество шагов второстепенных балок в пределах пролёта главной балки:

Т. к. получилось дробное число, количество шагов округлим в меньшую сторону К=4 => b=2,25 м.

Учитывая, что по первому варианту а_bn = 100см, определяем требуемое число шагов балок настила в пределах пролёта второстепенных балок:

Количество шагов отвечает ограничениям по компоновке варианта.

Таким образом, шаг балок настила a_bn =100см, а их пролёт b=200см шаг второстепенных балок b=225 см, и их пролёт l_s= 400см.

Компоновка варианта

Рис.3 Компоновка балочной клетки усложнённого типа

Расчёт балки настила

Расчётная схема балки настила (рис.2).

Сбор нагрузок

Погонная расчетная нагрузка:

Статический расчёт балки настила:

Подбор сечения

Требуемые геометрические характеристики

-момент сопротивления

.

-момент инерции

.

Принимаем по ГОСТ 8239-89 I №18 с J_x=1290см⁴, W_x=143см³, b_fbn=9,0см, P_bn=18,4кг/м.

Толщина настила

Окончательно t_n=10мм.

3. Расчёт второстепенной балки

Расчётную схему принимаем в виде однопролётной шарнирноопертой балки пролётом l_s=400см, сосредоточенными силами.

- опорная реакция балки настила

Погонная нормативная нагрузка

Погонная расчётная нагрузка

Статический расчёт:

Подбор сечения балки

Требуемый момент сопротивления сечения балки

-момент инерции

По ГОСТ 8239-89 принимаем I №40 с J_x=19062см⁴, W_x=953см³, b_fbn=15.5см, P_bn=57кг/м.

Проверка прочности, жёсткости и общей устойчивости

Общая устойчивость балки обеспечивается при выполнении условия:

Значение

Определяем

Фактическое значение

Неравенство не выполняется, т.к.

= 6,45 > = 5,87

В соответствии с рекомендациями п.13 перейдём на расчёт балки как упруго работающей. При с₁ = 1.

Требуемый момент сопротивления

Требуемый момент инерции:

.

Достаточно прежний номер профиля балки По ГОСТ 8239-89 принимаем I №40 с J_x=19062см⁴, W_x=953см³, b_fbn=15.5см, P_bn=57кг/м.

Тогда

Определяем

Уточняем предельное значение

при

коэффициент учитывающий развитие пластической деформации в сечении балки; при расчёте балки по упругой стадии работы.

Неравенство = 6,89 > = 19,4 выполняется, следовательно устойчивость второстепенной балки обеспечена.

Расход стали по варианту.

Сравнение вариантов

Вариант	Расход стали	Кол.балок
	кг/м2	%
1	107,15	100	14
2	119,7	111	24

За оптимальный принимаем первый вариант, имеющий меньший расход стали и более простое конструктивное решение.

4. Расчет и конструирование составной сварной балки

На стальной листовой настил толщиной t_n=9 мм, передаётся равномерно распределённая временная нагрузка q_n=45кН/м² с.

Настил опирается на прокатные балки из двутавра I №30 ГОСТ 8239-89

Линейная плотность P_bnкг/м

Ширина полки балки b_fbn=135мм

Опорная реакция Q_bn= 97,2 кН

Шаг балок a_bn=1000мм

Отметка пола площадки H_f = 6000м

Отметка верха габарита помещения H_g=4,000м.

Выбор материала балки.

Согласно задания дан материал сталь С235.

Предположим. Что толщина листового настила и толщина полок вспомогательных (прокатных) балок не будет превышать 20 мм по табл.п2. для толщины проката от 7 до 20мм выписываем нормативные и расчётные сопротивления стали С-235, необходимые для производства расчётов:

R_yn=23,5 кн/cм² , R_un=36 кн/cм² , R_y=23 кн/cм² , R_u=35 кн/cм² , R_yn=13,5 кн/cм²

Выбор расчётной схемы балки

Расчётную схему главной балки принимаем в виде однопролётной шарнирно опёртой балки. Нагрузка на главную балку от балок настила передаётся в виде сосредоточенных сил. Так как количество сосредоточенных сил более 5. действие сил заменяем действием равномерно распределённой нагрузки.

Рис.4 Расчётная схема главной балки

Принимаем для балки настила:

Двутавр I №30 ГОСТ 8239-89 с J_x =7080 см⁴, W_x=472см³, b_f=13,5см, P_bn=36,5кг/м, t_wbn =0,65см

Сбор нагрузки на балку.

Нормативная погонная:

Где коэффициент, учитывающий собственный вес главной балки, принимаемый при пролёте l_m ? 12м =1,02

коэффициент сочетания нагрузок, равный 1 при одной временной нагрузке

кг/см³ плотность стали.

Погонная расчётная нагрузка:

коэффициент надёжности по нагрузке от собственного веса стальных конструкций перекрытия.

Статический расчёт балки

По принятой расчётной схеме изгибающий момент в середине пролёта (рис.3).

Подбор основного сечения балки

Главные балки площадки запроектированы сварными составного сечения, состоящие из стенки и двух поясов (полок). Материал конструкции сталь С235 по ГОСТ 27772-88.

Рассчитываем балку в предположении её упругой работы, принимаем гибкость стенки

Требуемый момент сопротивления.

С₁=1 - при упругой работе балки

коэффициент условия работы

Определяем высоту балки, отвечающую минимуму её массы

,

К- коэффициент, принимаемый =1,1 при переменной сечении балки.

Высота балки, удовлетворяющая условию жёсткости при полном использовании расчётного сопротивления стали:

n₀ = 200 принимается по табл. П3.

Принимаем наиболее простое в конструктивном отношении и менее трудоёмкое при изготовлении и монтаже этажное сопряжение балок, определяем высоту балки из условия заданного габарита перекрытия

,

Где: нормируемый прогиб балки.

d=h_bn=30см - высота балки настила.

h_s - строительная высота перекрытия.

По условию (2.4), при h_max=164,37>h_opt=122>h_min=41,83

Принимаем h=h_opt=122- высота сечения балки.

По ГОСТ 19903-74*, учитывая, что высота балки немногим отличается от высоты стенки h_w=1250мм.

-из условия среза в опорном сечении

- из условия принятой гибкости стенки

В соответствии с ГОСТ 19903-74^*

принимаем tw=8мм

Сечение стенки балки hw*tw=1250*8мм

Сечение поясов балки

Требуемая площадь сечения пояса:

, ;

.

Минимально необходимая по условию устойчивости толщина пояса

.

Наибольшая ширина пояса, обеспеченная от потери устойчивости.

.

В соответствии с ГОСТ 82-70* подбираем 3 варианта сечения пояса:

.

Сечение пояса bf = 420мм

tf = 12мм.

Проверяем условие:

<<

Принятые размеры пояса отвечают условию.

Условия допускающие использование автоматической сварки b_f=42 см ? 20 см выполняется. Проверим условие по ограничению уровня усадочных напряжений t_w=0,8 см < t_f =1,2 cм < 3tw =2,4 см

Таким образом сечение поясов балки bf х tf = 420 x 12 мм.

Проверка правильности подбора сечения балки.

Вычисляем условную гибкость стенки

Момент инерции поясов балки

Момент инерции сечения

Момент сопротивления сечения

Основное сечение подобранно верно, так как >

Подбор уменьшенного сечения балки

При действии на балку равномерно распределённой нагрузки место изменения сечения

.

Определим изгибающий момент и поперечную силу, действующую в месте изменения сечения

Требуемый момент сопротивления и момент инерции изменённого сечения при условии, что заводской стык растянутого пояса осуществляется прямым стыковым швом с применением выводных планок и обычном контроле качества R_wy = 0,85R_y

Требуемая ширина пояса

По ГОСТ 8270* подбираем b₁ =240 мм.

Изменённое сечение поясного места удовлетворяет условиям:

b1=240мм ?200мм

b1=240мм ?h/10=126,2

b1=240мм ?bf/2=420/2=210

Окончательно принимаем размеры уменьшенного сечения

Стенка

Момент инерции поясов балки уменьшенного сечения:

Момент инерции уменьшенного сечения

Момент сопротивления уменьшенного сечения

Основное сечение подобранно верно, так как

> /

Проверка прочности уменьшенного сечения балки по максимальным касательным напряжениям производится в опорном сечении балки.

Проверка прочности балки

Проверка прочности основного сечения балки по нормальным напряжениям в месте действия максимального изгибающего момента.

,

Недонапряжение составляет.

Проверка прочности стенки по местным напряжениям

Для предотвращения отгиба верхних поясов стенку балки в местах действия сил А укрепляют поперечными рёбрами жёсткости, приваренными к стенке и поясам. Усиление F будет восприниматься торцами рёбер и равномерно распределяться по высоте стенки. .

Проверка прочности балки в месте изменения сечения (z1=150см) производится на уровне поясных сварных швов, что связано с совместным действием нормальных и касательных напряжений.

;

;

Статический момент полки относительно оси х-х.

Проверка жёсткости балки

Принятая высота балки h =127,4 cм > hmin = 41,83см, поэтому производить проверку нет необходимости.

Проверка общей устойчивости балки.

Так как балка примерного сечения её устойчивость проверяем для основного и уменьшенного сечений, принимая за расчётную длину расстояние между балками настила

Основное сечение балки при:

.

Уменьшенное сечение при

.

.

Условия выполняются, общая устойчивость балки обеспечена.

Проверка местной устойчивости балки.

Достаточно проверить устойчивость основного сечения, так отношение для основного сечения больше, чем уменьшенного.

Устойчивость сжатого пояса обеспечена.

Проверка устойчивости стенки опорного отсека.

Размеры отсека a x h_w =100 x 125 см.

При соотношении размеров a/h_w =100/125=0,8<1 расчётное сечение располагается посередине отсека

Вычисляем напряжение, действующие в расчётном сечении отсека:

.

,

По таблице устанавливаем С_cr=30

,

,

;

.

Проверяем условие устойчивости :

.

Устойчивость стенки рассматриваемого отсека обеспечена.

Проверка устойчивости стенки отсека, совпадающего с местом изменения сечения.

Размеры отсека при соотношении размеров

Расчётное значение располагается посередине отсека

Вычисляем напряжение, действующие в расчётном сечении отсека:

.

Критическое напряжение ;

Выполняется, устойчивость стенки рассматриваемого отсека обеспечена.

Проверка устойчивости стенки отсека, совпадающего с местом действия максимальных нормальных напряжений.

Размеры отсека

При соотношении размеров поэтому расчётное сечение располагается посередине отсека .

.

Вычислим критическое напряжение

,

Проверка устойчивости :

.

Выполняется, устойчивость стенки отсека обеспечена.

Выполненные проверки показывают, что при принятой схеме расстановка рёбер жёсткости устойчивости стенки балки обеспечена.

5. Расчет и конструирование узлов и деталей балки

Поперечное и промежуточное рёбра жесткости

Балки настила опираются на верхний пояс главной балки с двух сторон. Для воспрепятствования отгиба поясов балки предусмотрены парные симметричные ребра жёсткости.

Рис. 5 Конструкция поперечных промежуточных рёбер жёсткости

Ребра жёсткости привариваются к стенке и поясам непрерывными угловыми швами, катет которых принимают из условий качественного провара K_f = 6мм,

Ширина выступающей части парного симметричного ребра

;

По ГОСТ 103-76* принимаем

Толщина ребра:

;

В соответствии с ГОСТ 103-76* b_h*t_h=90*6мм.

Для пропуска поясных сварных швов, соединяющих пояса со стенкой, по торцам ребер устраиваем скосы размером 40 х 60 мм.

Рёбра жёсткости прикрепляем полуавтоматической сваркой к верхним поясам двухсторонними угловыми швами, к стенке и нижнему поясу односторонним угловым швом.

Соединение поясов балки со стенкой

Соединение поясов со стенкой выполняем двухсторонними сварными угловыми швами, т.к. балка работает с развитием пластических деформаций. Сварка - автоматическая, в лодочку, сварочная проволока марки Св-08А по ГОСТ 2246-70* с R_wf=18кН/см²; Коэффициенты глубины провара ; . Проверяем достаточность катета швов под первой от опоры балкой настила:

,

;

Таким образом, минимального катета шва k_f=6мм достаточно для обеспечения прочности поясных швов.

Монтажный стык отправочных элементов балки

Принимаем болты d=20мм (А_bn=2.45см²) из стали 40X «селект» (R_bun=110кН/см²); диаметр отверстий под болты d₀=23мм; способ очистки соединяемых поверхностей - стальными щетками(); контроль за натяжением стержня болта - по моменту закручивания().

Несущая способность одного болта, имеющего две поверхности трения (К=2):

.

Стык поясов:

-предельное усилие, воспринимаемое поясом:

.

-требуемое количество болтов по одну сторону стыка:

.

Принимаем n_f = 6 болтов.

-определяем ширину накладок, располагаемых с внутренних сторон поясов:

.

Принимаем bpf=180мм.

-из условия равнопрочности пояса и стыковых накладок определяем толщину накладок:

Окончательно tpf =10 мм.

-проверяем прочность ослабленного сечения нижнего растянутого пояса отверстиями под болты. Площадь сечения пояса нетто

.

прочность обеспечена.

-проверяем прочность накладок, ослабленных в середине стыка четырьмя отверстиями. Площадь сечения накладок нетто:

.

Площадь сечения накладок брутто:

.

Т.к. . То прочность накладок обеспечена.

Исходя из принятой схемы расстановки болтов, определяем длину поясных накладок.

По ГОСТ 82-70* , длинна поясных накладок

Проверка прочности

-

прочность накладок обеспечена.

Стык стенки

Предельный момент воспринимаемый стенкой

-задаваясь расстановкой болтов по высоте накладки, определяем усилие, приходящееся на крайний болт:

.

-требуемое количество болтов в одном горизонтальном ряду по одну сторону стыка:

=2шт.

-определяем размеры накладки:

Толщина накладки:

Из условия равнопрочности

;

Окончательно принимаем .

n - количество шагов болтов по высоте кладки.

Ширина накладки:

.

По ГОСТ 82-70* принимаем .

Длина накладок

.

Опорный узел балки

-принимая , определяем требуемую толщину опорного ребра из условия смятия торца:

,

в соответствии с ГОСТ 82-70* t_oh=12мм. Принимаем .

-проверка местной устойчивости ребра:

.

-проверка устойчивости ребра относительно оси z:

;

;

;

;

;

;

.

-прикрепление опорного ребра к стенке осуществляем полуавтоматической сваркой двухсторонними угловыми швами.

Требуемый катет сварных швов:

.

Окончательно .

Убеждаемся .

Сопряжение балок

Поперечные вспомогательные балки закрепляют верхний сжатый пояс главных балок от смещений в горизонтальном направлении и тем самым обеспечивают их общую устойчивость при условии, что присоединены на болтах или сварке к этому поясу. Поэтому присоединение поперечных балок рассчитываем на условную поперечную силу Q, возникающую при потере устойчивости главной балкой.

Фиксацию балок настила осуществляем их приваркой к поясу главной балки. Сварку принимаем ручную электродами Э42 с Кfmin =8мм Вf=0.7; Bz=1.0

Условная поперечная сила

Где

Расчётная длина сварного углового шва

Так как

фактическая длина шва

6. Металлические конструкции

Общие сведения. С развитием металлургической промышленности растет объем и номенклатура металлических изделий в строительстве и особенно ассортимент из алюминия. Из стального проката возводят каркасы промышленных и гражданских зданий, мосты, изготовляют арматуру для железобетона, кровельную сталь, трубы, а также различные металлические изделия, заклепки, болты, гвозди, шурупы. Различный профиль алюминия используют для изготовления несущих и ограждающих конструкций, ф Широкому использованию металлов в строительстве способствует ряд их ценных технических свойств: высокая прочность, пластичность, повышенная теплопроводность, электропроводность и свариваемость. Наряду с этим металлы, и особенно сталь и чугун, при действии различных газов и влаги сильно корродируют и требуют специальной защиты.

Вопросы экономии металла в отрасли сборного железобетона наряду с проблемой снижения трудоемкости изготовления изделий арматуры имеют большое значение. сварный балка металлический

К перерасходу металла в строительстве ведут следующие причины: замена арматуры проектных диаметров и классов, а также профилей проката, имеющимися в наличии; технологические потери, обусловленные особенностями производства (отходы концов напрягаемых стержней, используемых для установки захватов, отходов прядей на длинном стенде, на участках между формами и т. д.); отходы при заготовке арматуры и изделий из нее и раскрое проката; прокат арматуры с положительными допусками: брак; разрушение конструкций при контрольных испытаниях.

Причинами перерасхода стали являются нерациональный раскрой металлопроката по чертежам, замена проектных профилей и листов на имеющиеся в наличии больших сечений и толщин, применение стали повышенной и высокой прочности без соответствующего перерасчета конструкций, недостатки в организации поставки металлопроката металлургическими заводами.

Сложившийся удельный вес в строительной индустрии при производстве железобетона и строительных конструкций составляет (%): завышение номинального диаметра арматурной стали-- 62,4; плюсовые допуски проката-- 12,0; немерные длины свариваемых марок стали -- 25,6.

Значительная доля металлических изделий, используемых в строительстве, приходится на стальную арматуру.

Потери металла при производстве арматурных работ обусловлены прежде всего уровнем технологического оборудования и оснастки, особенностями технологии.

Основные причины потерь арматурной стали (удельный вес в общем расходе, %): отходы напрягаемой арматуры -- 7,5; отходы при р.аскрое стержней в резке бухт -- 2,6; отступления от проекта-- 1,0; выпуск бракованной продукции -- 0,5.

Разработка и внедрение линий для безотходной сварки и резки арматурных стержней всех классов,

Для предотвращения от коррозии до применения арматура должна быть защищена от атмосферных осадков и других источников увлажнения. Высокопрочную арматуру следует хранить в сухих закрытых складских помещениях с относительной влажностью воздуха не выше 60%. Не допускается хранение такой арматуры на земляном полу, агрессивных или загрязненных агрессивными веществами подкладках, а также вблизи местонахождения или выделения агрессивных веществ (соли, газы, аэрозоли). Допускается хранение без ограничения относительной влажности воздуха высокопрочной арматуры в атмосфере, насыщенной парами летучих ингибиторов, которая может быть создана под герметизированными колпаками, во временных хранилищах, защищенных от атмосферных осадков.

Допустимым коррозионным поражением арматуры считается такое, при котором налет ржавчины может быть удален протиркой .сухой ветошью. При невыполнении указанного условия высокопрочную арматуру подвергают специальной проверке на склонность к хрупкому коррозионному разрушению.

При использовании арматуры с цинковым алюминиевым покрытием не допускается ее правка с помощью станков, вызывающих механическое разрушение покрытия, а при контактной сварке режим должен быть подобран из условия наименьшего повреждения покрытия. Дуговая сварка указанной арматуры не допускается.

Для защиты арматуры, используемой в ячеистых и силикатных бетонах автоклавного твердения, используют защитные покрытия (обмазки) в виде холодной цементно-битумной мастики, горячей ингибированной битумно-цементной или латексно-минеральной и других видов обмазок.

Толщина высушенного защитного покрытия на арматуре должна быть 0,3...0,4 мм при использовании холодной цементно-битумной мастики и не менее 0,5 мм при использовании цементно-полистирольной. При нанесении покрытий в электрическом поле толщина их может быть уменьшена соответственно до 0,2...0,3 мм и 0,4 мм.

Защита арматуры от коррозии, т. е. ее длительная сохранность в процессе эксплуатации железобетонной конструкции, в значительной мере зависит от технологии ее изготовления, за исключением тех случаев, когда используются специальные защитные покрытия, наносимые на поверхность арматуры.

Общая характеристика и основы проектирования металлических конструкций

Номенклатура стальных конструкций.

Стальные конструкции используют в различных инженерных сооружениях, которые в зависимости от конструктивной формы и назначения можно разделить на следующие виды.

1. Одноэтажные производственные здания. Такие здания могут быть однопролетными и многопролетными, в том числе с пролетами разной высоты, со встроенными рабочими площадками и многоэтажными вставками. Размеры в плане их весьма разнообразны: от нескольких десятков метров до 1 км и более. Производственные здания обычно оборудуют встроенными транспортными средствами в виде конвейеров, подвесных или мостовых опорных кранов. В бескрановых зданиях используют напольный транспорт (электрокары, погрузчики и пр.).

До недавнего времени стальной каркас разрешалось применять в производственных зданиях при пролетах 24 м и более, высоте более 18 м и при грузоподъемности кранов более 50 т. Сейчас эти ограничения сняты и стальные конструкции находят широкое применение для создания ремонтных мастерских, укрытий для сельхозтехники, навесов, складских помещений и других зданий при пролетах 12 ... 18 м. Получили распространение здания-модули полной заводской готовности на основе арочных конструкций, сводов из объемно-формованного тонкого листа, структурных конструкций (пространственных решетчатых систем).

Наряду со стальными применяют смешанные каркасы, в которых по железобетонным колоннам устанавливают стальные конструкции покрытия и подкрановые пути.

2. Малоэтажные здания. Прежде такие здания строили из кирпича, железобетона, дерева и других традиционных строительных материалов. Сейчас в подобных зданиях используют также сталь и алюминиевые сплавы, из которых делают каркас, обшивку утепленных стен, оконные переплеты, двери, встроенные шкафы, обрешетку перегородок. Освоено изготовление цельнометаллических зданий комплектной поставки "под ключ".

3. Высотные здания. Многоэтажные здания (20 ... 30 этажей и выше) используют главным образом в гражданском строительстве, в условиях плотной застройки больших городов. Их обычно проектируют с четким разделением конструкций на несущие и ограждающие. Функции несущих конструкций выполняет стальной каркас, а ограждающих - легкие стеновые панели из эффективных теплоизоляционных материалов, в том числе панели с обшивками из стали или алюминиевых сплавов.

4. Большепролетные здания. Большие пролеты (50 ... 150 м и более) имеют спортивные сооружения, крытые рынки, выставочные павильоны и некоторые производственные здания (ангары, авиасборочные цехи и др.). Для перекрытия таких пролетов, как правило, используют стальные конструкции. Системы и конструктивные формы большепролетных покрытий очень разнообразны. Здесь возможны балочные, рамные, арочные, купольные, висячие и комбинированные системы, причем как плоские, так и пространственные.

Основной нагрузкой в большепролетных зданиях является собственный вес, для снижения которого рационально применять облегченные ограждающие конструкции, стали повышенной и высокой прочности, различные способы регулирования усилий, .в том числе предварительное напряжение.

5. Мосты, эстакады. Пролетные строения мостов на железных и автомобильных дорогах выполняют из металла при больших (до 1 км и более), а также средних (30...60 м) пролетах. В последнем случае стальным мостам отдают предпочтение при сжатых сроках возведения и при строительстве на стратегических дорогах, учитывая возможность их быстрого восстановления.

Мосты и эстакады имеют разнообразные системы: балочные, арочные, висячие. В балочных системах часто применяют сталежеле-зобетонные балки, объединяя стальные главные балки пролетного строения с железобетонной плитой проезжей части для совместной работы на изгиб.

6. Башни и мачты. Большую группу подобных конструкций составляют антенные устройства для телевидения, радиовещания и многоканальной телефонной связи. При передаче средних волн мачта высотой 200 ... 500 м может выполнять функции излучателя. В иных случаях башни и мачты служат для размещения на определенной высоте проволочной сети или специальных антенных устройств.

Опоры воздушных линий электропередачи служат для передачи электроэнергии по проводам, прикрепленным к опорам через гирлянды изоляторов. Для защиты от молнии над проводами размещают грозозащитные тросы. Высокое напряжение электрического тока, передаваемого по проводам, требует значительного удаления проводов друг от друга и от земли, поэтому высота опор составляет 20 ... 40 м, а при переходе линии через препятствия может достигать 150 м и более.

Вытяжные башни служат для поддержания газоотводящих стволов дымовых и вентиляционных труб. Высота башни, определяемая экологическими требованиями, обычно составляет 80 ... 150 м, хотя имеются башни высотой 600 м.

Башни морских стационарных платформ для добычи нефти и газа устанавливают на континентальном шельфе морей и океанов. Прикрепленная с помощью свай к морскому дну башня поддерживает искусственный островок, на котором размещены буровая вышка, мастерские, вертолетная площадка, жилые помещения и пр. Это, как правило, уникальные сооружения, достигающие глубин 200 ... 300 м и более при ширине основания порядка 70 м. Решетчатую конструкцию такой башни выполняют из труб диаметром 2 ... 4 м при толщине стенок 60 ... 90 мм.

К башенным конструкциям относят также геодезические вышки, промышленные этажерки, надшахтные копры, буровые вышки и др.

7. Листовые конструкции представляют собой тонкостенные пластинки и оболочки различной формы.

Резервуары служат для хранения нефтепродуктов, воды, сжиженных газов, кислот, спиртов и других жидкостей. Применяют резервуары различной формы и размеров с объемом, достигающим 200 тыс. м3. Среди них вертикальные цилиндрические, горизонтальные цилиндрические и сферические резервуары, резервуары с понтоном, с плавающей крышей и многие другие.

Газгольдеры предназначены для хранения, смешивания и выравнивания состава газов. Их включают в газовую сеть между источниками получения газа и его потребителями в качестве своеобразных аккумуляторов. Применяют газгольдеры постоянного объема, в которых газ хранят при высоком давлении, и газгольдеры переменного объема с хранением газа при низком постоянном давлении. Переменность объема обеспечивают подвижными звеньями или шайбой, которая, подобно поршню в цилиндре, перемещается по стенке газгольдера. Вместимость газгольдеров переменного объема достигает 600 тыс. м3.

Бункера и силосы представляют емкости, предназначенные для хранения и перегрузки сыпучих материалов. Силосы отличаются от бункеров сравнительно большим отношением высоты к размерам в плане. Группы бункеров обычно объединяют в бункерные эстакады. Применяют бункера с плоскими стенками и гибкие (висячие).

К листовым конструкциям относят также трубопроводы большого диаметра, некоторые сооружения нефтепереработки, доменного и химического производств.

8. Другие виды конструкций. Это стальные конструкции мостовых, башенных, козловых кранов, кранов-перегружателей, отвальных мостов, крупных экскаваторов, строительных и дорожных машин, затворов и ворот шлюзов гидротехнических сооружений, радиотелескопов, антенн космической связи и др.

Достоинства и недостатки стальных конструкций

Основными достоинствами стальных конструкций по сравнению с конструкциями из других материалов являются надежность, легкость, непроницаемость, индустриальность, а также простота технического перевооружения, ремонта и реконструкции.

Надежность стальных конструкций обеспечивается близким соответствием характеристик стали нашим представлениям об идеальном упругом или упругопластическом изотропном материале, для которого строго сформулированы и обоснованы основные положения сопротивления материалов, теории упругости и строительной механики. Сталь имеет однородную мелкозернистую структуру с одинаковыми свойствами по всем направлениям, напряжения связаны с деформациями линейной зависимостью в большом диапазоне, а при некотором значении напряжений может быть реализована идеальная пластичность в виде площадки текучести. Все это соответствует гипотезам и допущениям, взятым за основу при разработке теоретических предпосылок расчета, поэтому расчет, построенный на таких предпосылках, в полной мере соответствует действительной работе стальных конструкций.

Легкость. Из всех изготовляемых в настоящее время несущих конструкций металлические являются самыми легкими. За показатель легкости принимают отношение плотности материала к его прочности. Наименьшее значение этот показатель имеет для алюминиевых сплавов и составляет для сплава Д16-Т 1,1-10-4 м-1. Приняв его за единицу, запишем сравнительные данные для других материалов: сталь - 1,5 ... 3,4, дерево - 4,9, бетон среднего класса прочности - 16,8.

Сравнив две одинаковые конструкции, одна из которых выполнена из алюминиевого сплава, а другая - из железобетона, вы можете прийти к ошибочному выводу, что при прочих равных условиях железобетонная конструкция будет примерно в 16 раз тяжелее. На самом деле это не так и железобетонная конструкция, особенно при больших пролетах, может оказаться более тяжелой. Дело в том, что конструкция несет как бы две нагрузки: полезную, для которой она запроектирована, и неизбежный собственный вес. Например, несущая способность железобетонной плиты покрытия типа ПНС размером 3х6 м равна 4...4,5 кН/м2, из них 1,3...1,5 кН/м2 (т.е. 30%) приходится на собственный вес плиты. Стальная панель такого же размера, изготовленная из профилированного настила и швеллеров, при той же несущей способности будет иметь долю собственного веса 0,45...0,50 кг/м2, что составляет около 10% от общей нагрузки.

Непроницаемость. Металлы обладают не только большой прочностью, но и высокой плотностью - непроницаемостью для газов и жидкостей. Плотность стали и ее соединений, осуществляемых с помощью сварки, является необходимым условием для изготовления резервуаров, газгольдеров, трубопроводов, различных сосудов и аппаратов.

Индустриальность. Стальные конструкции изготовляют на заводах, оснащенных специальным оборудованием, а монтаж производят с использованием высокопроизводительной техники. Все это исключает или до минимума сокращает тяжелый ручной труд.

Ремонтопригодность. Применительно к стальным конструкциям наиболее просто решаются вопросы усиления, технического перевооружения и реконструкции. С помощью сварки вы можете легко прикрепить к элементам существующего каркаса новое технологическое оборудование, при необходимости усилив эти элементы, что также делается достаточно просто.

Сохраняемостъ металлического фонда. Стальные конструкции в результате физического и морального износа изымаются из эксплуатации, переплавляются и снова используются в народном хозяйстве.

Недостатками стальных конструкций являются их подверженность коррозии и сравнительно малая огнестойкость . Сталь, не защищенная от контакта с влагой, в сочетании с агрессивными газами, солями, пылью подвергается коррозии. При высоких температурах (для стали - 600°С, для алюминиевых сплавов - 300°С) металлоконструкции теряют свою несущую способность.

При грамотном проектировании и соответствующей эксплуатации эти недостатки не представляют опасности для выполнения конструкцией своих функций, но приводят к повышению начальных и эксплуатационных затрат.

Повышения коррозионной стойкости стальных конструкций достигают включением в сталь специальных легирующих добавок, периодическим покрытием конструкций защитным слоем в виде лаков или красок, а также выбором рациональной конструктивной формы (без 'щелей и пазух, где могут скапливаться влага и пыль).

Повышение огнестойкости стальных конструкций зданий, опасных в пожарном отношении (жилые и общественные здания, склады с горючими или легковоспламеняющимися материалами) осуществляют путем устранения непосредственного контакта конструкций с открытым огнем. Для этого предусматривают подвесные потолки, огнестойкие облицовки, обмазки специальными составами. Используя специальные покрытия в виде обмазок, можно существенно увеличить предел огнестойкости.

7. Требования, предъявляемые к металлическим конструкциям

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 пли по частям (отправочными элементами) с применением соответствующих транспортных средств.

Технологичность. Конструкции должны проектироваться с учетом требований технологии изготовления я 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.

Все эти требования удовлетворяются конструкторами на основе выработанных наукой и практикой принципов советской школы проектирования и основных направлении ее развития.

Основным принципом советской школы проектирования является достижение трех главных показателей: экономии стали, повышения производительности труда при изготовлении, снижения трудоемкости и сроков монтажа, которые и определяют стоимость конструкции. Несмотря на то что эти показатели часто при реализации вступают в противоречие (так, например, наиболее экономная по расходу стали конструкция часто бывает наиболее трудоемкой в изготовлении и монтаже), советский опыт развития металлических конструкций подтверждает возможность реализации этого принципа.

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 электронно-вычислительной техники.

Эффективно и комплексно производственные требования удовлетворяются на основе типизации конструктивных элементов и целых сооружений.

Типизация металлических конструкций в России 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 сопряжении. 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 ц 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, копиров, 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 сопряжении позволяют лучше использовать монтажное оборудование и совершенствовать процесс монтажа.

8. Конструкции из металла

Балки и балочные конструкции

Одним из наиболее распространенных элементов стальных конструкций является балка или элемент, работающий на изгиб.

Область применения балок в строительстве чрезвычайно широка: от небольших элементов рабочих площадок, междуэтажных перекрытий производственных или гражданских зданий до большепролетных балок покрытий, мостов, тяжело нагруженных подкрановых балок и так называемых "хребтовых" балок для подвески котлов в современных тепловых электростанциях. Пролеты мостовых балок достигают 150...200 м, а нагрузка на одну хребтовую балку котельного отделения ГРЭС при пролете до 45 м составляет ~ 60 -103 кН.

Классификация балок

По статической схеме различают однопролетные (разрезные), многопролетные (неразрезные) и консольные балки. Разрезные балки проще неразрезных в изготовлении и монтаже, нечувствительны к различным осадкам опор, но уступают последним по расходу металла на 10...12%. Неразрезные балки разумно применять при надежных основаниях, когда нет опасности перегрузки балок вследствие резкой разницы в осадке опор. Консольные балки могут быть как разрезными, так и многопролетными. Консоли разгружают пролетные сечения балок и тем самым повышают экономические показатели последних.

По типу сечения балки могут быть прокатными либо составными: сварными, клепаными или болтовыми. В строительстве наиболее часто применяют балки двутаврового сечения. Они удобны в компоновке, технологичны и экономичны по расходу металла.

Наибольший экономический эффект (при прочих равных условиях) может быть получен в тонкостенных балках. Хорошим критерием относительной легкости изгибаемого элемента служит безразмерное соотношение з = 3? W2 / A3 , где W - момент сопротивления, А - площадь сечения.

Для прямоугольного сечения с шириной b и высотой h, если принять для определенности отношение h/b равным 2...6, этот показатель составляет 0,38...0,55, а для отечественных прокатных двутавров - 1,25...1,45, т.е. в принятых условиях двутавр в 3...4 раза выгоднее простого прямоугольного сечения. Кроме двутавра применяют и другие формы сечений. Так, при воздействии на балку значительных крутящих моментов предпочтительнее применение замкнутых, развитых в боковой плоскости сечений, примеры которых показаны.

Экономическая эффективность сечений, таким образом, тесно связана с их тонкостенностью. Предельно возможная тонкостенность прокатных балок определяется не только требованиями местной устойчивости стенок, но и возможностями заводской технологии прокатки профилей. Местная устойчивость стенок составных сечений может быть повышена конструктивными мерами (постановкой ребер жесткости, гофрированием стенок и т.п.).

Прокатные балки

Прокатные балки применяют для перекрытия небольших пространств конструктивными элементами ограниченной несущей способности, что связано с имеющейся номенклатурой выпускаемых прокатных профилей. Их используют в балочных клетках; для перекрытия индивидуальных подвалов, гаражей, складских помещений; в качестве прогонов покрытий производственных зданий; в конструкциях эстакад, виадуков, мостов и многих других инженерных сооружениях.

В сравнении с составными прокатные балки более металлоемки за счет увеличенной толщины стенки, но менее трудоемки в изготовлении и более надежны в эксплуатации. За исключением опорных зон и зон приложения значительных сосредоточенных сил, стенки прокатных балок не требуется укреплять ребрами жесткости. Отсутствие сварных швов в областях контакта полок со стенкой существенно уменьшает концентрацию напряжений и снижает уровень начальной дефектности.

Составные балки

В тех случаях, когда требуются конструкции, жесткость и несущая способность которых превышает возможности прокатных профилей, используют составные балки. Они могут быть сварными и клепаными, но последние применяют исключительно редко. Наибольшее применение получили балки двутаврового симметричного, реже несимметричного сечений. Такие балки состоят из трех элементов - верхнего и нижнего поясов, объединенных тонкой стенкой. Перспективными являются сечения в виде двутавр, в качестве полок которого используют прокатные тавры и холодногнутые профили.

Дистальные балки

Снижение металлоемкости может быть достигнуто за счет использования в одной конструкции двух различных марок сталей. Балки, выполненные из двух марок сталей, называют бистальными. В них целесообразно наиболее напряженные участки поясов выполнять из стали повышенной прочности с Ry = Ry1 (низколегированные стали), а стенку и малонапряженные участки поясов - из малоуглеродистой стали с Ry = Ry2.

В расчетном сечении такой балки при достижении в фибровых волокнах поясов у = Ry1 в примыкающей к поясам зоне стенки напряжения достигнут предела текучести уw(y>|a|) = Ry1. Центральная часть стенки и пояса находятся в упругой стадии, периферийные зоны стенки - в пластической (условия ограниченной пластичности).

Авторы норм рекомендуют при расчетах прочности таких балок руководствоваться одним из двух критериев.

- Предельных пластических деформаций: пластические деформации допускаются не только в стенке, но и в поясах; вводится ограничение на величину интенсивности пластических деформаций в стенке еip,w ? >еip,lim.

- Предельных напряжений в поясах балки: пластические деформации допускаются лишь в стенке; работа поясов ограничена упругой стадией уѓ ? > Ry1.

В зависимости от нормы предельной интенсивности пластических деформаций и расчетного критерия, бистальные балки классифицируют по четырем группам.

1. Подкрановые балки под краны с режимом работы 1К-5К (ГОСТ 25546-82), для которых расчеты на прочность выполняют по критерию предельных напряжении в поясе при расчетном сопротивлении стали поясов Rѓ = Ru / гu < Ry, здесь гu = 1,3.

2. Балки, воспринимающие подвижные и вибрационные нагрузки (балки рабочих площадок, бункерных и разгрузочных эстакад. транспортерных галерей и др.), - еip,lim = 0.1 %.

3. Балки, работающие на статические нагрузки (балки перекрытий и покрытий; ригели рам, фахверка и другие изгибаемые, растянуто-изгибаемые и сжато-изгибаемые балочные элементы), - еip,lim = 0,2 %.

4. Балки группы 3, но не подверженные локальным воздействиям, не имеющие продольных ребер жесткости, обладающие повышенной общей и местной устойчивостью, - еip,lim = 0,4%.

В группы 2...4 объединены балки, для которых расчеты на прочность выполняют по критерию ограниченных пластических деформаций.

Балки замкнутого сечения

Балки замкнутого сечения обладают рядом преимуществ по сравнению с открытыми. К ним относятся:

- более высокая несущая способность конструкций или их элементов при работе на изгиб в двух плоскостях и на кручение. Материал в замкнутых сечениях располагается в основном в периферийных зонах по отношению к центру тяжести, это обусловливает увеличение моментов инерции и сопротивления относительно оси у (из плоскости элемента) и момента инерции на кручение;

- ввиду существенного увеличения (в десятки раз) момента инерции на кручение в элементах с замкнутыми сечениями, как правило, исключается изгибно-крутильная форма потери устойчивости;

- элементы с замкнутыми сечениями более устойчивы при монтаже, менее подвержены механическим повреждениям во время транспортировки и монтажа.

Несмотря на названные достоинства, конструктивные элементы с замкнутыми сечениями не нашли в настоящее время широкого применения. И объясняется это прежде всего низкой технологичностью и, как следствие, большей трудоемкостью изготовления.

Конструктивные решения

Замкнутые, в частности коробчатые, сечения применяют при необходимости увеличения жесткости балок в поперечном направлении, при отсутствии поперечных связей, изгибе в двух плоскостях наличии крутящих моментов, при ограниченной строительной высоте и больших поперечных силах. Подобным силовым воздействиям при названных конструктивных ограничениях подвергаются балочные конструкции мостов, силовых элементов промышленных сооружений, кранов и др. Возможные формы сечения балок представлены на.

Наличие двух стенок делает особенно актуальной задачу уменьшения их толщины при обеспечении местной устойчивости. Конструктивно это достигается либо искривлением стенки, либо постановкой различного типа связей между стенками в форме диафрагм, стяжных болтов и др.

Диафрагмы имеют форму пластинки, а при сильно развитом сечении - форму рамки с прямоугольным или овальным вырезом. В углах диафрагмы имеют скосы такие же, как и в ребрах жесткости балок открытого профиля. Для более равномерного распределения нагрузки между элементами сечения и повышения пространственной жесткости возможно использовать раскосную систему расположения диафрагм с отклонением диафрагм на 30...600 от вертикали или горизонтали. Однако следует иметь в виду, что трудоемкость изготовления диафрагм с наклоном значительно выше, чем вертикальных. Взамен диафрагм для повышения местной устойчивости стенки можно использовать связи между стенками в виде вкладышей со стяжными болтами. В этом случае за счет дополнительных связей между стенками создается пространственная система, обе стенки которой работают совместно, поэтому при расчете из плоскости балки стенку следует рассматривать как составную конструкцию.

С целью экономии стали, так же как и в балках открытого профиля, в балках коробчатого сечения при больших пролетах следует предусматривать изменение сечения по длине балки.

Балки с гибкой стенкой

Балки с гибкой (очень тонкой) стенкой появились впервые в конструкциях каркасов летательных аппаратов, где для легкости стенки выполняли зачастую не из металла, а из прочной ткани (перкаль, брезент). Плоская стенка в такой балке теряет устойчивость в начальной стадии нагружения, приобретая вторую устойчивую форму - в виде наклонно гофрированной (у опор, где преобладает сдвиг) либо вспорушенной ( в зонах с преобладающими напряжениями сжатия) поверхности. После снятия нагрузки эти деформации стенок, называемые часто "хлопунами", исчезают. В строительстве стали применять такие балки в 70-е годы текущего века. Они являются дальнейшим воплощением идеи о тесной связи показателей экономической эффективности с понятием тонкостенности. Уменьшение относительной толщины стенки лw = hw / tw в 2...3 раза приводит к снижению расхода металла на стенку на 25...35% и к концентрации металла в поясах, что выгодно по условиям работы на изгиб.

Применение балок с очень тонкими стенками уместно при стабильном направлении действия статических временных нагрузок, поскольку работа таких балок при переменных по направлению подвижных и динамических нагрузках еще недостаточно изучена.

Особенности работы конструкции балок. На первой стадии работы балки ее гибкая стенка остается плоской, как и в обычной балке. Но по протяженности эта стадия работы коротка и заканчивается потерей устойчивости стенки, т.е. переходом в закритическую стадию работы с появлением "хлопунов".

В закритической стадии работы уже не соблюдается линейная зависимость между деформациями стенки и нагрузкой. Развиваются зоны выпучивания стенки с образованием растянутых складок, натяжение которых вызывает местный изгиб поясов балки, а также сжатие поперечных ребер жесткости и изгиб опорных ребер в плоскости стенок. Эта стадия завершается достижением напряжениями предела текучести уy либо в отдельных точках стенки, либо в поясах (или одновременно).