Металлические конструкции
Основные элементы металлических конструкций: номенклатура и область применения. Свойства и работа строительных сталей и алюминиевых сплавов. Основы расчета металлических конструкций. Характеристика основных профилей сортамента, сварные соединения.
| Рубрика | Производство и технологии |
| Вид | учебное пособие |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 28.11.2011 |
| Размер файла | 2,8 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Гарантировать допустимые величину и число дефектов в сварном соединении на его участке затруднительно, поэтому необходим контроль качества соединения. Надежными методами контроля являются физические методы (ультразвук, рентгеновское просвечивание, просвечивание гамма лучами). При невозможности (или затруднительности) использования физических методов контроля стык проектируют косым (ось шва наклонена к оси элемента под углом 600, что обеспечивает достаточную прочность соединения, рис.4.4, б).
С помощью угловых швов выполняются различные виды соединений в металлических конструкциях: тавровые, в угол, внахлест.
Соединения внахлестку выполняются угловыми швами; они могут быть как фланговыми, так и лобовыми.
В соответствии с характером передачи усилий фланговые швы работают одновременно на срез и изгиб. Разрушение шва начинается с конца и происходит как по металлу шва, так и по металлу границы сплавления, особенно если наплавленный металл прочнее основного.
Лобовые швы передают усилия достаточно равномерно по ширине элемента, но крайне неравномерно по толщине шва, вследствие резкого искривления силового потока при переходе усилия с одного элемента на другой, особенно, напряжения велики в корне шва. Уменьшение концентрации напряжения можно достичь плавным примыканием привариваемой детали, механической обработкой (сглаживанием) поверхности шва и конца, увеличением полости шва (например, шов с соотношениями катетов 1: 1,5), применением вогнутого шва и увеличением глубины проплавления. Эти приемы желательно применять в конструкциях, работающих на переменные нагрузки и при низкой температуре.
Разрушение лобовых швов происходит так же как фланговых по одному из двух сечений (металлу шва или по металлу сплавления).
4.4 Расчет сварных соединений
При расчете сварных соединений необходимо учитывать вид соединения, способ сварки (автоматическая, полуавтоматическая, ручная) и сварочные материалы, соответствующие основному материалу конструкции (табл.4.2).
Расчет стыковых сварных соединений при действии осевой силы , проходящей через центр тяжести соединения, выполняют по формуле
. Отсюда (4.1)
где - наименьшая из толщин соединяемых элементов; - расчетная длина шва, равная полной его длине, уменьшенной на , или полной его длине, если концы шва выведены за
пределы стыка (например, на технологические планки, см. рис.4.4, б); - расчетное сопротивление стыковых сварных соединений по пределу текучести (см. СНиП II-23-81*, прил.5); - коэффициент условия работы.
Рис.4.4 Виды сварных стыковых соединений
а - прямой стык; б - косой стык; в, г - при разной ширине соединяемых элементов;
д, е - при разной толщине соединяемых элементов; ж - однослойный с подваркой корня; 1 - технологические планки; 2 - подварочный шов
При отсутствии физических методов контроля расчетное сопротивление металла сварного соединения по нормам составляет .
Чтобы соединение было равнопрочным основному элементу, длина шва должна быть больше размера “b” (рис.4.5), поэтому в соединении применяют косой шов, который выполняют с наклоном реза при . Такой шов равнопрочен с основным металлом и не требует проверки прочности. При действии сдвигающей силы Q на стыковой шов, в шве возникают срезывающие напряжения .
Расчетное сопротивление при сдвиге соединения , где - расчетное сопротивление основного металла на сдвиг.
Если расчетное сопротивление металла шва в стыковомсоединениименьше расчетного сопротивления основного металла, проверку выполняют по сечению металла шва.
Таблица 4.2 Материалы для сварных соединений стальных конструкций
|
Сталь |
Материал |
Нормативное сопротивле- ние металла шва , кН/см2 |
Расчетное сопротивление металла угло-вых швов , кН/см2 |
|||
|
Марка сварочной проволоки при сварке в углекислом газе или в его смеси с аргоном |
Марка флюса при свар- ке под флюсом |
Тип электрода при свар- ке по- крытыми электродами |
||||
|
С235, С245,С255, С275,С285, Ст3кп, Ст3пс, Ст3сп, 20 |
Св-08А Св-08ГА |
АН-348А АН-60 |
Э42*, Э42А Э46*, Э46А |
41 45 |
18 20 |
|
|
С345, С345Т, С375, С390,С390Т, С390К, С440, 09Г2С, 16Г2АФ |
Св-08ГА* Св-10ГА* Св-08Г2С* Св-10Г2 Св-10НМА |
АН-17-М АН-43 АН-47 АН-348-А* |
- - Э50*, Э50А - - |
45 49 59 |
20 21,5 24 |
|
|
С345К |
Св-08ХГ2СДЮ Св-08Х1ДЮ |
АН-348-А |
- - |
49 |
21,5 |
Примечание:
1. Для проволок Св-08Г2С следует принимать кН/см2 и кН/см2, кроме угловых швов с катетом мм.2. При соответствующем технико-экономическом обосновании для сварки конструкций допускается использовать материалы, не указанные в настоящей таблице. При этом свойства металла шва должны удовлетворять требованиям технических условий.
Использование данного материала уточнить по СНиП.
В отдельных случаях, например, при вибрационной нагрузке, рассчитывают и косые швы, разложив действующее усилие на перпендикулярное оси шва и действующее вдоль шва, находим (рис.4.5, б)
- перпендикулярно шву,
- вдоль шва,
где - расчетная длина косого шва.
Сварные стыковые соединения, выполненные без применения физических методов контроля качества, при одновременном действии в одном и том же сечении шва нормальных напряжений и , действующих по взаимно перпендикулярным направлениям "Х" и "У" и касательных напряжений следует проверять по формуле:
(4.2)
Рис.4.5 К расчету стыковых швов
а - на продольную силу; б - на продольную силу стыка с косым швом; в - на изгиб
Разрушение сварных соединений с угловыми лобовыми и фланговыми швами происходит как по металлу шва, так и по металлу границы сплавления (рис.4.6). В соответствии с этим расчет выполняют по одному из двух сечений: сечению 1 по металлу шва и сечению 2 - по металлу границы сплавления (рис.4.7), в зависимости от того какое сечение более опасно. Угловые швы всегда работают в условиях сложного напряженного состояния и срезывающее напряжение доминирует. Поэтому СНиП допускает производить расчет на срез, названный “условным" срезом.
Расчетная площадь сечения шва при разрушении по металлу шва равна , при разрушении по металлу границы сплавления Awz = z kf lw
Расчетным является сечение по металлу границы сплавления. В этом случае расчетная длина шва .
Если , то расчетным сечением является сечение по металлу шва и напряжение . (4.3)
Если , то проверка прочности соединения выполняется по металлу границы сплавления, тогда:
(4.4)
где - усилие проходящее через центр тяжести соединения; - расчетная длина шва в сварном соединении, равная суммарной длине всех его участков за вычетом 1 см; и - коэффициенты, принимаемые по табл.4.3 и учитывающие проплавление металла при сварке. Физический смысл коэффициентов и - отношение минимальных размеров в сечении шва к катету шва (см. рис.4.7). При ручной сварке, когда глубина проплавления невелика и заштрихованную площадь на рис.4.7, б можно считать равносторонним прямоугольником, а .
Из формулы (4.3) и (4.4) можно определить катет шва “”, который должен быть не меньше величин, указанных в табл.4.4 СНиП. Однако, чем меньше отношение катета шва (или толщина шва) к толщине свариваемого металла , тем более хрупким становится металл шва, что ведет к образованию трещин. Поэтому СНиП диктует, что катеты угловых швов должны быть не более , где - наименьшая толщина соединяемых элементов.
Рис 4.6 К расчету угловых швов
а - на разрушение соединений с фланговыми швами; б - с лобовыми швами; в - работающих на изгиб
Рис.4.7 Расчетные сечения шва
1 - по металлу шва; 2 - по металлу границы сплавления
Сварные соединения с угловыми швами при действии “" в плоскости, перпендикулярной плоскости расположения швов, рассчитывают на срез:
по металлу шва
(4.5)
по металлу границы сплавления
(4.6)
где и - моменты сопротивления расчетных сечений сварного соединения соответственно по металлу шва и металлу границы сплавления; и - коэффициенты условия работы шва, и во всех случаях, кроме конструкций, возводимых в климатических районах, указанных в СНиП 2.01.07-85; и - расчетные сопротивления металла шва и металла границы сплавления (см. табл.4.2 и прил.2).
При действии момента в плоскости расположения швов их рассчитывают на срез по формулам:
по металлу шва (4.7)
по металлу границы сплавления (4.8)
где x и y - коэффициенты точки А сварного соединения, наиболее удаленные от центра тяжести; и - моменты инерции расчетного сечения сварного соединения по металлу шва относительно его главных осей “x” и “y”; и - то же, по металлу границы сплавления.
При расчете сварного соединения с угловыми швами на одновременное действие продольной силы, поперечной силы и момента должны выполняться условия
и ;
где и - напряжения в точке расчетного сечения сварного соединения соответственно по металлу шва и металлу границы сплавления, определяемые по формуле:
(4.9)
Таблица 4.3 Коэффициенты проплавления в зависимости от вида сварки
|
Вид сварки и ди- аметр сварочной проволоки, мм |
Положение шва |
Коэффициент проплавления |
Значения коэффициентов и при нормальных режимах сварки и катетов швов, мм |
||||
|
3 - 8 |
9 - 12 |
14 - 16 |
>16 |
||||
|
Автоматическая, d = 3 - 5 |
В лодочку |
1,1 |
0,7 |
||||
|
1,15 |
1,0 |
||||||
|
Нижнее |
1,1 |
0,9 |
0,7 |
||||
|
1,15 |
1,05 |
1,0 |
|||||
|
Автоматическая и полуавтоматическая, d =1,4 - 2 |
В лодочку |
0,9 |
0,8 |
0,7 |
|||
|
1,05 |
1,0 |
||||||
|
Нижнее Горизон- тальное Вертикаль-ное |
0,9 |
0,8 |
0,7 |
||||
|
1,05 |
1,0 |
||||||
|
Ручная полуавтома- тическая проволо- кой сплошного се- чения, d < 1,4,или порошковой проволокой |
В лодочку Нижнее Горизон- тальное Вертикаль-ное Потолочное |
0,7 |
|||||
|
1,0 |
Раздел 5. Фермы
5.1 Классификация ферм и область их применения
Фермой называется система стержней соединенных между собой в узлах и образующих геометрически неизменяемую конструкцию. При узловой нагрузке жесткость узлов несущественно влияет на работу конструкции, и в большинстве случаев их можно рассматривать как шарнирные. В этом случае все стержни ферм испытывают только растягивающие или сжимающие осевые усилия.
Фермы экономичнее балок по расходу стали, но более трудоемки в изготовлении. Эффективность ферм по сравнению со сплошностенчатыми балками тем больше, чем больше пролет и меньше нагрузка.
Фермы бывают плоскими (все стержни лежат в одной плоскости) и пространственными.
Плоские фермы воспринимают нагрузку, приложенную только в их плоскости, и нуждаются в закреплении их связями. Пространственные фермы образуют жесткий пространственный брус, воспринимающий нагрузку в любом направлении (рис.5.1).
Рис.5.1 Плоская (а) и пространственная (б) фермы
Основными элементами ферм являются пояса, образующие контур фермы, и решетка, состоящая из раскосов и стоек (рис.5.2). Соединение элементов в узлах осуществляется путем непосредственного примыкания одних элементов к другим (рис 5.3, а) или с помощью узловых фасонок (рис.5.3, б). Элементы ферм центрируются по осям центра тяжести для снижения узловых моментов и обеспечения работы стержней на осевые усилия.
Рис.5.2 Элементы ферм
1 - верхний пояс; 2 - нижний пояс; 3 - раскосы; 4 - стойки
Рис.5.3 Узлы ферм
а - с непосредственным примыканием элементов; б - на фасонках
Расстояние между соседними узлами поясов называется панелью (dв - панель верхнего пояса, dн - нижнего), а расстояние между опорами пролетом (l).
Пояса ферм работают на продольные усилия и момент (аналогично поясам сплошных балок); решетка ферм воспринимает в основном поперечную силу, выполняя функции стенки балки.
Знак усилия (минус - сжатие, плюс - растяжение) в элементах решетки ферм с параллельными поясами можно определить, если воспользоваться “балочной аналогией”.
Стальные фермы широко применяются во многих областях строительства; в покрытиях и перекрытиях промышленных и гражданских зданий, мостах, опорах линий электропередачи, объектах связи, телевидения и радиовещания (башни, мачты), транспортных эстакадах, гидротехнических затворах, грузоподъемных кранах и т.д.
Фермы имеют разную конструкцию в зависимости от назначения, нагрузок и классифицируются по различным признакам:
по статической схеме - балочные (разрезные, неразрезные, консольные); арочные, рамные, комбинированные (рис.5.4);
Рис.5.4 Системы ферм
а - балочная разрезная; б - неразрезная; в, е - консольная; г - арочная; д - рамная; ж - комбинированная
по очертанию поясов - с параллельными поясами, трапециевидные, треугольные, полигональные, сегментные (рис.5.5);
по системе решетки - треугольная, раскосная, крестовая, ромбическая и др. (рис.5.6);
по способу соединения элементов в узлах - сварные, клепанные, болтовые;
Рис.5.5 Очертания поясов ферм
а - сегментное; б - полигональное; в - трапецеидальное; г - с параллельными поясами; д-и - треугольное
по величине максимального усилия - легкие - одностенчатые с сечениями из прокатных профилей (усилие N кН) и тяжелые - двухступенчатые с элементами составного сечения (N > 300кН).
Промежуточными между фермой и балкой являются комбинированные системы, состоящие из балки, подкрепленной снизу шпренгелем или раскосами либо аркой (сверху). Подкрепляющие элементы уменьшают изгибающий момент в балке и повышают жесткость системы (рис.5.4, ж). Комбинированные системы просты в изготовлении (имеют меньшее число элементов) и рациональны в тяжелых конструкциях, а также в конструкциях с подвижными нагрузками.
Эффективность ферм и комбинированных систем можно повысить, создав в них предварительное напряжение.
В фермах подвижных крановых конструкций и покрытий больших пролетов, где уменьшение веса конструкции дает большой экономический эффект, применяют алюминиевые сплавы.
Рис.5.6 Системы решетки ферм
а - треугольная; б - треугольная с дополнительными стойками; в - раскосная; с - восходящими раскосами; г - раскосная с нисходящими раскосами; д - шпренгельная; е - крестовая; ж - перекрестная; и - ромбическая; к - полу раскосная
5.2 Компоновка конструкций ферм
Выбор статической схемы и очертания фермы - первый этап проектирования конструкций, зависящий от назначения и архитектурно - конструктивного решения сооружения и производится на основании сравнения возможных вариантов.
В покрытиях зданий, мостах, транспортных галереях и других сооружениях нашли применение балочные разрезные системы. Они просты в изготовлении и монтаже, не требуют устройства сложных узлов, но весьма металлоемки. При пролетах балок 40м разрезные фермы получаются негабаритными, и их собирают при монтаже.
Для двух и более перекрываемых пролетов применяют неразрезные фермы. Они экономичнее по расходу металла и обладают большей жесткостью, что позволяет уменьшить их высоту. Применение неразрезных ферм при слабых грунтах не рекомендуется, так как при осадке опор возникают дополнительные усилия. Кроме того, неразрезность усложняет монтаж.
Рамные фермы экономичнее по расходу стали, имеют меньшие габариты, но более сложны в монтаже. Их рационально применять для большепролетных зданий. Арочные системы, дают экономию стали, но приводят к увеличению объема помещения и поверхности ограждающих конструкций. Применение их диктуется архитектурными требованиями. Консольные фермы используют для навесов, башен, опор ЛЭП.
Очертания ферм должны соответствовать их статической схеме и виду нагрузок, определяющих эпюру изгибаемых моментов. Для ферм покрытий необходимо учитывать материал кровли и требуемый уклон для обеспечения водоотвода, тип узла сопряжения с колоннами (жесткий или шарнирный) и другие технологические требования.
Очертания поясов ферм определяет их экономичность. Наиболее экономичной по расходу стали является ферма, очерченная по эпюре моментов. Для однопролетной балочной системы с равномерно распределенной нагрузкой будет сегментная ферма с параболическим поясом (см. рис.9.5, а). Однако криволинейные пояса очень трудоемки в изготовлении, поэтому такие фермы применяют крайне редко. Более применяемыми являются полигональные фермы (см. рис.5.5, б). В тяжелых большепролетных фермах дополнительные конструктивные затруднения из - за перелома поясов в узлах не так ощутимы, так как из условия транспортировки пояса в таких фермах приходится стыковать в каждом узле.
Для легких ферм полигональное очертание нерационально, поскольку усложнение узлов не окупается экономией стали.
Фермы трапецеидальные (см. рис.5.5, в), хотя не совсем соответствуют эпюре моментов, имеют конструктивные преимущества, за счет упрощения узлов. Кроме того, применение таких ферм в покрытии позволяет устроить жесткий рамный узел, что повышает жесткость здания.
Фермы с параллельными поясами (рис.5.5., г) по своему очертанию далеки от эпюры моментов и неэкономичны по расходу стали. Однако равные длины элементов решетки, одинаковая схема узлов, повторяемость элементов и деталей, возможность их унификации способствуют индустриализации их изготовления. Поэтому фермы с параллельными поясами стали основными для покрытия производственных зданий.
Фермы треугольного очертания (см. рис. 5.5, д-ж, и) рациональны для консольных систем и для балочных при сосредоточенной нагрузке в середине пролета (подстропильные фермы). Недостатком этих ферм является повышенный расход металла при распределенной нагрузке; острый опорный узел сложен и допускает только шарнирное сопряжение с колоннами, Средние раскосы очень длинные и их приходится подбирать по предельной гибкости, что ведет к перерасходу металла. Однако иногда их используют для стропильных конструкций, когда необходимо обеспечить большой уклон кровли (свыше 20%) или для создания одностороннего равномерного освещения (шедовые покрытия).
Пролет или длина ферм определяется эксплуатационными требованиями и обще компоновочным решением соружения и рекомендуется конструктором.
Там где пролет не диктуется технологическими требованиями (например, эстакады поддерживающие трубопроводы и т.п.), его назначают на основе экономических соображений, по наименьшей суммарной стоимости ферм и опор.
Высота треугольных ферм (см. рис. 5.5, д) является функцией пролета и уклона фермы (25-450), что дает высоту ферм h . Высота обычно бывает выше требуемой, поэтому треугольные фермы не экономичны. Высоту фермы можно уменьшить, придав нижнему поясу приподнятое очертание (см. рис. 5.5, г), но опорный узел не должен быть очень острым.
Для высоты трапецеидальных ферм и ферм с параллельными поясами нет конструктивных ограничений, высоту фермы принимают из условия наименьшего веса фермы. Вес фермы складывается из веса поясов и решетки. Вес поясов уменьшается с увеличением высоты фермы, так как усилия в поясах обратно пропорциональны высоте h
Вес решетки наоборот, с увеличением высоты фермы возрастает, так как увеличивается длина раскосов и стоек, поэтому оптимальная высота ферм составляет 1/4 - 1/5 пролета. Это приводит к тому, что при пролете 20м высота фермы больше предельно (3,85м) допустимой по условию транспортировки. Поэтому с учетом требований транспортировки, монтажа, унификации высоту ферм принимают в пределах 1/7 - 1/12 пролета (для легких ферм еще меньше).
Наименьшая возможная высота фермы определяется допустимым прогибом. В обычных кровельных покрытиях жесткость ферм превосходит требуемую. В конструкциях работающих на подвижную нагрузку (фермы подкрановых эстакад, мостовых кранов и т.п.) требования жесткости настолько высоки
(f/l = 1/750 - 1/1000),
что они диктуют высоту фермы.
Прогиб фермы определяют аналитически по формуле Мора
F = У (5.1)
где Ni - усилие в стержне фермы от заданной нагрузки; - усилие в том же стержне от силы, равной единице, приложенной в точке определения прогиба по направлению прогиба.
Размеры панели должны соответствовать расстояниям между элементами, передающими нагрузку на ферму, и отвечать оптимальному углу наклона раскосов, который в треугольной решетке составляет примерно 450, а в раскосной решетке - 350. Из конструктивных соображений - рационального очертания фасонки в узле и удобства прикрепления раскосов - желателен угол близкий к 450.
В стропильных фермах размеры панелей принимаются в зависимости от системы кровельного покрытия.
Желательно для исключения работы пояса на изгиб обеспечить передачу нагрузки от кровли на узлы фермы. Поэтому в покрытиях из крупноразмерных железобетонных или металлических плит расстояние между узлами принимается равным ширине плиты (1,5м или 3м), а в покрытиях по прогонам шагу прогонов (от 1,5м до 4м). Иногда для уменьшения размеров панели пояса принимается шпренгельная решетка (см. рис.5.6, д).
Унификация и модулирование геометрических размеров ферм позволяет стандартизировать как сами фермы, так и примыкающие к ним элементы (прогоны, связи и т.д.). Это приводит к сокращению числа типоразмеров деталей и дает возможность при массовом изготовлении конструкций применять специализированное оборудование и перейти на поточное производство.
В настоящее время унифицированы геометрические схемы стропильных ферм производственных зданий, мостов, радиомачт, радио башен, опор линий электропередачи.
Строительный подъем. В фермах больших пролетов (более 36м), а также в фермах из алюминиевых сплавов или высокопрочных сталей возникают большие прогибы, которые ухудшают внешний вид конструкции и недопустимы по условиям эксплуатации.
Провисание ферм предотвращается устройством стропильного подъема, т.е. изготовление ферм с обратным выгибом, который под действием нагрузки погашается, и ферма принимает проектное положение. Строительный подъем назначают равным прогибу от постоянной плюс половину временных нагрузок. При плоских кровлях и пролетах больше 36м строительный подъем следует принимать независимо от величины пролета равным прогибу от суммарной нормативной нагрузки плюс 1/200 пролета.
Строительный подъем обеспечивается путем устройства перегиба в монтажных узлах (рис.5.7).
Системы решеток ферм и их характеристика. Решетка ферм работает на поперечную силу, выполняя функции стенки сплошной балки.
От системы решетки зависит вес фермы, трудоемкость ее изготовления, внешний вид. Поскольку нагрузка на ферму передается в узлах, то решетка должна соответствовать схеме приложения нагрузки.
Треугольная система решетки. В фермах трапецеидального очертания или с параллельными поясами рациональной является треугольная система решетки (см. рис. 5.6, а), дающая наименьшую суммарную длину решетки и наименьшее число узлов при кратчайшем пути усилия от места приложения нагрузки до опоры.
В фермах, поддерживающих прогоны кровли или балки настила, к треугольной решетке часто добавляют дополнительные стойки (рис.5.6, б), а иногда и подвески, позволяющие уменьшить расстояние между узлами фермы.
Дополнительные стойки уменьшают также расчетную длину сжатого пояса.
Работают дополнительные стойки только на местную нагрузку и не участвуют в передаче на опору поперечной силы.
Рис.5.7 Схемы строительного подъема при одном (а) и нескольких (б) укрупнительных стыках
Недостатком треугольной системы - наличие длинных сжатых раскосов (восходящих в фермах с параллельными поясами и нисходящих в треугольных фермах).
Раскосная система решеток, применяется при малой высоте ферм, а также тогда, когда по стойкам передаются большие усилия (при большой узловой нагрузке).
Раскосная решетка более трудоемка, чем треугольная, требует большого расхода металла, так как при равном числе панелей в ферме общая длина раскосной решетки больше, и в ней больше узлов. Путь усилия от узла до опоры в раскосной решетке длиннее; он идет через все стержни решетки и узлы.
Специальные системы решеток, применяют при большой высоте ферм (примерно 4 - 5м). Чтобы уменьшить размер панели, сохранив нормальный угол наклона раскосов, применяют шпренгельную решетку (см. рис.9.6, д). Устройство шпренгельной решетки более трудоемко и требует дополнительного расхода металла; однако такая решетка позволяет получить рациональное расстояние между элементами поперечной конструкции при рациональном угле наклона раскосов и уменьшить расчетную длину сжатых стержней.
Шпренгельная решетка применяется при крутых кровлях и сравнительно больших пролетах (l = 20 - 24м) для треугольной фермы (см. рис.5.5, е).
В фермах, работающих на двустороннюю нагрузку устраивают крестовую решетку (см. рис.5.6, е). К таким фермам относятся горизонтальные связевые фермы покрытий производственных зданий, мостов и других конструкций, вертикальные фермы башен, мачт и высоких зданий.
Ромбическая и полу раскосная решетки (см. рис.9.6, и, к) благодаря двум системам раскосов обладают большой жесткостью; эти системы применяются в мостах, башнях, мачтах, связях для уменьшения расчетной длины стержней и особенно рациональны при работе конструкций на большие поперечные силы.
Обеспечение устойчивости ферм. Плоская ферма неустойчива из своей плоскости, поэтому ее необходимо присоединить к более жесткой конструкции или соединить связями с другой фермой, в результате чего образуется устойчивый пространственный брус (рис.5.8, а). Поскольку этот пространственный брус в поперечном сечении замкнут, он обладает большой жесткостью при кручении и изгибе в поперечном направлении, поэтому потеря его общей устойчивости невозможна. Конструкции мостов, кранов, башен, мачт и т.п. представляют собой также пространственные брусья, состоящие из ферм (рис.5.8, б).
Рис.9.8 Завязка ферм в пространственные системы 1 - диафрагма
В покрытиях зданий из-за большого числа поставленных рядом плоских стропильных ферм решение усложняется, поэтому фермы, связанные между собой только прогонами могут потерять устойчивость.
Их устойчивость обеспечивается тем, что две соседние фермы скрепляются связями в плоскости верхнего и нижнего пояса и вертикальными поперечными связями (рис. 5.9, б). К этим жестким блокам другие фермы прикрепляются горизонтальными элементами, препятствующими горизонтальному перемещению поясов ферм и обеспечивающими их устойчивость (прогонами и распорками, расположенными в узлах ферм). Чтобы прогон мог закрепить узел фермы в горизонтальном направлении, он сам должен быть прикреплен к неподвижной точке - узлу горизонтальных связей.
Рис.5.9 Связи обеспечивающие устойчивость стропильных ферм
1 - прогоны; 2 - фермы; 3 - горизонтальные связи; 4 - вертикальные связи; 5 - пространственный блок
5.3 Типы сечений стержней ферм
Наиболее распространенные типы сечений элементов легких ферм, показаны на рис.5.10.
По расходу стали наиболее эффективным является трубчатое сечение (рис.5.10, а). Труба обладает хорошей обтекаемостью, поэтому ветровое давление меньше, что важно для высоких сооружений (башен, мачт, кранов). На трубах мало задерживается иней и влага, поэтому они стойки к коррозии; их легко очищать и окрашивать. Это повышает долговечность трубчатых конструкций.
Для предотвращения коррозии внутренних плоскостей трубчатые элементы следует герметизировать. Однако определенные конструктивные трудности сопряжения трубчатых элементов и высокая стоимость труб ограничивают их применение.
Рис.5.10. Типы сечений стержней легких ферм
Прямоугольные гнуто замкнутые сечения (рис. 5.10, б) обладают почти теми же преимуществами, что и трубчатые, позволяют упростить узлы сопряжения элементов и нашли широкое применение. Однако, фермы из гнуто замкнутых профилей с бесфасоночными узлами требуют высокой точности изготовления.
Технологические трудности не позволяют изготавливать гнутые профили толщиной более 10-12 мм. Это ограничивает возможность их использования.
Кроме того, большие пластические деформации в углах гиба снижают хрупкую прочность стали.
Часто сечения элементов ферм принимаются из разного вида профилей: пояса из двутавров, решетка из гнутозамкнутых профилей или пояса из тавров, решетка из парных или одиночных уголков. Такое решение оказывается более рациональным.
В пространственных фермах (башнях, мачтах, стрелах кранов и т.п.), где пояс является общим для двух ферм, его сечение должно обеспечивать удобное сопряжение элементов в разных плоскостях. Этому требованию лучше всего отвечает трубчатое сечение.
В четырехгранных фермах при небольших усилиях, простейшим типом сечения пояса является одиночный уголок или крестовое сечение из двух уголков. При больших усилиях применяются также двутавры.
Сжатые элементы ферм следует проектировать равноустойчивыми в двух взаимно перпендикулярных направлениях.
В каждом конкретном случае выбор типа сечения элементов ферм определяется условиями работы конструкции (степень агрессивности среды, характер и место приложения нагрузок и т.д.), возможностью изготовления, наличием сортамента и экономическими соображениями.
Стержни тяжелых ферм отличаются от легких более мощными и развитыми сечениями, составленными из нескольких элементов. Сечения таких стержней обычно проектируют двухстенчатыми (рис.5.11), а узловые сопряжения выполняются с помощью фасонок, расположенных в двух плоскостях. Стержни тяжелых ферм (раскосы, стойки и пояса) имеют разные сечения, но для удобства сопряжения в узлах ширина элементов “в” должна быть одинаковой.
Для поясов ферм желательно применять сечения имеющие две оси симметрии, что облегчает стык в узле двух сечений соседних панелей разной площади и не создает дополнительного момента вследствие несовпадения центров тяжести этих сечений.
Тяжелые фермы, работающие на динамические нагрузки (железнодорожные мосты, краны и т.п.), иногда еще проектируют клепанными, но в основном, как правило, проектируют из сварных стрежней с монтажными узлами на высокопрочных болтах.
Применяются следующие типы сечений стержней тяжелых стальных ферм:
Н-образное (рис.5.11, б) - два вертикальных листа, связаны горизонтальным листом, а также клепанные из четырех не равнополочных уголков, связанных горизонтальным листом (рис.5.11, в). Развитие таких сечений в смежных панелях производят креплением дополнительных вертикальных листов (рис.5.11, г). Такие сечения малотрудоемкие. Если конструкция не защищена от попадания атмосферных осадков, то в горизонтальных элементах необходимо оставлять отверстия для стока воды диаметром 50 мм. Н-образные сечения применяют для поясов и раскосов.
Швеллерное сечение состоит из двух швеллеров, поставленных полками внутрь (рис. 5.11, д); используются как прокатные, так и составные швеллеры. Такое сечение целесообразно для сжатых элементов, особенно при большой их длине. Недостатком швеллерного сечения является наличие двух ветвей, которые приходится соединять планками или решетками (аналогично центрально сжатым колоннам).
Коробчатое сечение состоит из двух вертикальных элементов, соединенных горизонтальным листом сверху (рис.5.11, е, ж). Применяется в основном для верхних поясов тяжелых мостовых ферм. Жесткость сечения повышается, если снизу вертикальные листы соединить решеткой (рис.5.11, ж) или перфорированным листом.
Рис.5.11. Типы сечений стержней тяжелых ферм
Одностенчатое двутавровое сечение состоит из сварного или широкополочного прокатного двутавра, поставленного вертикально (рис.9.11, и).
Трубчатые стержни применяются в тяжелых сварных фермах, имеют те же преимущества, что и в легких фермах.
Замкнутое коробчатое сечение (рис.9.11, к, л, м) обладает повышенной изгибной и крутильной жесткостью, поэтому применяют его для длинных сжатых элементов тяжелых ферм. Сечение может быть выполнено как из гнутых элементов, так и сварных, составленных из четырех листов.
5.4 Расчет ферм
Определение расчетной нагрузки. Вся нагрузка, действующая на ферму прикладывается обычно в узлах фермы, к которым прикрепляются элементы поперечной конструкции (прогоны кровли или подвесные потолки), передающие нагрузку на ферму. Если нагрузка приложена непосредственно в панели, то в основной расчетной схеме она также распределяется между ближайшими узлами, но дополнительно учитывается местный изгиб пояса от расположенной на нем нагрузки. Пояс фермы при этом рассматривается как неразрезная балка с опорами в узлах.
Рекомендуется определять усилия в стержнях ферм отдельно для каждого вида нагрузки, т.е. для постоянной и временной;
постоянной, в которую входит собственный вес фермы и всей поддерживаемой конструкции (кровли с утеплением, фонарей и т.п.).
временной - нагрузки от подвесного подземно-транспортного оборудования, полезной нагрузки, действующей на подвешенное к ферме чердачное перекрытие, и т.п.
кратковременной, например, атмосферной - снег, ветер.
Расчетная постоянная нагрузка, действующая на любой узел стропильной зависит от грузовой площади, с которой она собирается (рис.5.12) и определяется по формуле
(5.2)
где - собственный вес фермы и связей, кН/мІ горизонтальной проекции кровли; - вес кровли, кН/мІ; - угол наклона верхнего пояса к горизонту; - расстояние между фермами; и - примыкающие к узлу панели; - коэффициент надежности для постоянной нагрузки.
В отдельных узлах к нагрузке, получаемой по формуле (9.2), прибавляется нагрузка от веса фонаря.
Снег - нагрузка временная и может загружать ферму лишь частично; загружение снегом одной половины фермы, может оказаться невыгодным для средних раскосов.
Расчетную узловую нагрузку от снега определяют по формуле:
, (5.3)
где - вес снегового покрова на 1 мІ горизонтальной проекции кровли; - коэффициент надежности для снеговой нагрузки.
Значение “S” должно определяться с учетом возможного неравномерного распределения снегового покрова около фонаря или перепадов высот.
Давление ветра учитывается только на вертикальные поверхности, а также на поверхности с углом наклона к горизонту более 300, что бывает в башнях, мачтах, эстакадах, а также в крутых треугольных стропильных фермах и фонарях. Ветровая нагрузка приводится к узловой. Горизонтальная нагрузка от ветра на фонарь при расчете стропильной фермы не учитывается, так как ее влияние на работу фермы не значительно.
Рис.5.12. Расчетная схема фермы
5.5 Определение усилий в стержнях ферм
При расчете ферм со стержнями из уголков или тавров предполагается, что в узлах системы - идеальные шарниры, оси всех стержней прямолинейны, расположены в одной плоскости и пересекаются в центрах узлов (см. рис.5.12). Стержни такой системы работают только не осевые усилия: напряжения, найденные по этим усилиям, являются основными.
В фермах со стержнями, имеющими повышенную жесткость, влияние жесткости соединений в узлах более значительно. Моменты, возникающие в узлах, приводят к более раннему возникновению пластических деформаций и снижают хрупкую прочность стали. Поэтому для двутавровых, трубчатых и Н-образных сечений расчет ферм по шарнирной системе допускается при отношении высоты сечения к длине не более для конструкций, эксплуатируемых при расчетной температуре не ниже - 400С. При повышении этих отношений следует учитывать дополнительные изгибающие моменты в стержнях от жесткости узлов.
В верхних поясах ферм при непрерывном опирании на них настилов (равномерное распределение нагрузки на пояса фермы) допускается вычислять моменты по следующим формулам:
пролетный момент в крайней панели
;
пролетный момент промежуточных панелей
;
момент в узле (опорный)
,
где - распределенная нагрузка по ферме; - длина панели.
Кроме того, в стержнях возникают напряжения от моментов в результате неполного центрирования стержней в узлах. Эти напряжения не являющиеся основными расчетом не учитываются, так как допускаемые эксцентриситеты в фермах малы.
Смещение оси поясов ферм при изменении сечений не учитывается, если оно не превышает 1,5% высоты пояса.
Расчет ферм следует выполнять на ЭВМ, что позволяет рассчитать любую схему фермы на статические и динамические нагрузки.
Использование ЭВМ позволяет получать расчетные усилия в стержнях с учетом требуемых сочетаний нагрузок, оптимизировать конструкцию, т.е. найти оптимальную схему фермы, материал стержней, тип сечений и т.п., получить наиболее экономичное проектное решение.
При отсутствии ЭВМ усилия в стержнях ферм определяют графическим методом, т.е. построением диаграмм Максвелла-Кремоны, или аналитическим (методом вырезания узлов). Причем для каждого вида нагрузок (нагрузки от покрытия, подвесного транспорта и т.п.) строят свою диаграмму. Для ферм с несложными схемами (например, с параллельными поясами) и небольшим числом стержней более простым является аналитическое определение усилий.
Если ферма работает на подвижную нагрузку, то максимальное усилие в стержнях фермы определяют по линии влияния.
В соответствии с классификацией сочетаний нагрузок (основные и особые) усилия определяют отдельно для каждого вида сочетаний и несущую способность стержней определяют по окончательному расчетному наибольшему усилию.
Рекомендуется результаты статического расчета записывать в таблицу, в которой должны быть приведены значения усилий от постоянной нагрузки, от возможных комбинаций временных нагрузок (например, от одностороннего нагружения снегом), а также расчетные усилия как результат суммирования усилий при не выгоднейшем нагружении для всех возможных сочетаний нагрузок.
5.6 Определение расчетной длины стержней
В момент потери устойчивости сжатый стержень выпучивается, поворачивается вокруг центров соответствующих узлов и вследствие жесткости фасонок заставляет поворачиваться и изгибаться в плоскости фермы остальные стержни.
Примыкающие стержни сопротивляются изгибу и повороту узла и
Препятствуют свободному изгибу стержня, теряющего устойчивость.
Наибольшее сопротивление повороту узла оказывают растянутые стержни. Сжатые стержни слабо сопротивляются изгибу.
Таким образом, чем больше растянутых стержней примыкает к сжатому стержню и чем они мощнее (больше их погонная жесткость), тем выше степень защемления стержня и меньше его расчетная длина; влиянием сжатых стержней на защемление можно пренебречь.
Сжатый пояс оказывается слабо защемленным в узлах, так как с каждой стороны к нему примыкает только по одному растянутому раскосу, погонная жесткость которых значительно меньше погонной жесткости пояса. Поэтому защемлением сжатого пояса в запас устойчивости можно пренебречь и принимать его расчетную длину равной расстоянию между смежными узлами.
Таким образом, при большей степени защемления меньше расчетная длина стержня фермы
, (5.4)
где - коэффициент приведения длины, зависящий от степени защемления;
- расстояние между центрами узлов.
По нормам коэффициент приведения длины “" элементов решетки из
уголков в плоскости фермы равен 0,8. Тогда расчетная длина в плоскости фермы определяется с некоторым запасом, в особенности для средних раскосов, жесткость которых по сравнению с примыкающими стержнями невелика.
Исключение составляет опорный восходящий раскос, условия работы которого в плоскости фермы такие же, как и у верхнего пояса, поэтому расчетная длина опорного раскоса в плоскости фермы принимается равной расстоянию между центрами узлов.
Расчетная длина пояса в плоскости, перпендикулярной плоскости фермы, принимается равной расстоянию между узлами, закрепленными связями от смещения из плоскости фермы.
В беспрогонных покрытиях верхний пояс стропильных ферм закреплен в плоскости кровли плитами или панелями настила, прикрепленными к поясам ферм в каждом узле.
В этом случае за расчетную длину пояса из плоскости фермы принимают ширину одной плиты.
Расчетная длина стержней решетки при выгибе их из плоскости фермы принимается равной расстоянию между геометрическими центрами узлов, так как фасонки очень гибки и рассматриваются как листовые шарниры.
В трубчатых фермах с бесфасонными узлами расчетная длина раскоса, как в плоскости фермы, так и из нее, с учетом повышенной крутильной жесткости замкнутых сечений применятся равной 0,9.
В других случаях расчетная длина элементов ферм принимается по нормали.
5.7 Предельные гибкости стержней
Элементы конструкций должны проектироваться из жестких стержней. Особенно существенное значение имеет гибкость “" для сжатых стержней теряющих устойчивость при продольном изгибе. Даже при незначительных сжимающих усилиях гибкость сжатых стержней не должна быть слишком большой, так как гибкие стержни легко искривляются от случайных воздействий, провисают, вибрируют при динамических нагрузках.
Поэтому для сжатых стержней устанавливается предельная гибкость, зависящая от назначения стержня и степени его нагружения
,
где - расчетное усилие, - несущая способность стержня:
сжатые пояса, а также опорные стойки и раскосы, передающие опорные реакции - 180-60, прочие сжатые стержни фермы - 210-60, сжатые стержни связей - 200.
При этом принимается не менее 0,5.
Растянутые стержни конструкций так же не должны быть слишком гибкими, так как могут прогнуться при транспортировании и монтаже.
Стержни должны иметь достаточную жесткость особенно в конструкциях подверженных динамическим воздействиям.
Для растянутых стержней ферм, подвергающихся действию динамической нагрузки, установлены следующие значения предельной гибкости:
растянутые пояса и опорные раскосы 250
прочие растянутые стержни ферм 350
растянутые стержни связей 400
В конструкциях, не подвергающихся динамическим воздействиям, гибкость растянутых стержней ограничивают только в вертикальной плоскости (чтобы предотвратить чрезмерное провисание), установив для всех растянутых стержней предельную гибкость .
5.8 Подбор сечений элементов ферм
В фермах из прокатных и гнутых профилей для удобства комплектования металла принимают не более 5-6 калибров профилей.
Из условия обеспечения качества сварки и повышения коррозионной стойкости толщину профилей (труб, гнутых сечений) не следует принимать менее 3 мм, а для уголков - менее 4 мм.
Для предотвращения повреждения стержней при транспортировке и монтаже не следует применять профили менее 50 мм.
Профильный прокат поставляется длиной до 12 м, поэтому при изготовлении ферм пролетом 24 м (включительно) элементы пояса принимают постоянного сечения. Для снижения расхода стали, целесообразно, особенно при больших усилиях и нагрузках, элементы ферм (пояса, опорные раскосы) проектировать из стали повышенной прочности, а остальные элементы - из обычной стали. Выбор стали для ферм производится в соответствии с нормами. Так как стержни ферм работают в относительно благоприятных условиях (одноосное напряженное состояние, незначительная концентрация напряжений и т.п.), то для них применяют стали полуспокойной выплавки.
Фасонки ферм работают в сложных условиях (плоское поле растягивающих напряжений, наличие сварочных напряжений, концентрация напряжений вблизи швов), что повышает опасность хрупкого разрушения, поэтому требуется более качественная сталь - спокойная.
Подбор сечений элементов ферм удобно оформлять в табличной форме (табл.5.1).
5.9 Подбор сечений сжатых элементов
Предельное состояние сжатых элементов ферм определяется их устойчивостью, поэтому проверка несущей способности элементов выполняется по формуле
(9.5)
где - коэффициент условий работы (по прил.14).
Таблица 5.1 Подбор сечений стержней легких ферм
Коэффициент “”, является функцией гибкости и типа сечения (см. прил.8).
Для подбора сечения необходимо наметить тип сечения, задаться гибкостью стержня, определить коэффициент “" по прил.8 и найти требуемую площадь сечения
(5.6)
При предварительном подборе можно принять для поясов легких ферм , а для решетки . Большие значения гибкости применяются при меньших усилиях.
По требуемой площади подбирается по сортаменту подходящий профиль, определяются его фактические геометрические характеристики А, , , находятся ; . При большей гибкости уточняется коэффициент “" и проводится проверка устойчивости по формуле (9.5). Если гибкость стержня предварительно была задана неправильно и проверка показала перенапряжение или значительное (больше 5-10%) недонапряжение, то проводят корректировку сечения, принимая промежуточное значение между предварительно заданным и фактическим значениями гибкости. Второе приближение, обычно, достигает цели.
Местную устойчивость сжатых элементов можно считать обеспеченной, если толщина полок и стенок профилей больше, чем требуется из условия устойчивости.
Для составных сечений предельные гибкости полок и стенок определяются в соответствии с нормами (см. гл.2).
Пример 9.1 Требуется подобрать сечение верхнего пояса фермы по расчетному усилию N = 535кН.
Расчетные длины стержня lx = 2.58; ly = 5.16м. Материал - сталь С245; Ry = 24кН/см2. Коэффициент условий работы гс = 0,95; толщина фасонки 12мм. Поскольку ly = 2lx, принимаем тавровое сечение из двух не равнополочных уголков, расположенных узкими полками вместе. Задаемся гибкостью в пределах, рекомендуемых для поясов: л= 80. Принимаемому сечению соответствует тип кривой устойчивости с и, следовательно, при
= 80 = 2,73, ц = 0,611.
Требуемая площадь сечения Атр = N/ (цRyгc) = 535/ (0.611 = 38.4см2.
Принимаем сечение из двух уголков 125x80x10, поставленных вместе меньшими полками; А = 19,7x2 = 39,4; ix = 2.26см; iy = 6, 19см (следует обратить внимание, что индексы расчетных осей и осей по сортаменту для не равнополочных уголков могут не совпадать);
лx = 258/2.26 = 114; лy = 516/6,19 = 83; = 3,89; ц = 0,417;
N/ (цA) = 535/ (39.4 = 32.6кН/см2 >Ryцc = 22.8кН/см2
Сечение подобрано неудачно и имеет большое перенапряжение. Принимаем гибкость (между предварительно заданной и фактической) л= 100;
ц= 0,49;
Атр = 535/ (0,49
Принимаем два уголка: 160x100x9; А = 22,9= 45,8см2; ix = 2.85см (iy не лимитирует сечение); лx = 258/2.85 = 90.5;
ц= 0,546;
N/ (цA) = 535/ (0.546 = 21.4кН/см2 < Ryгc = 22.8кН/см2
Оставляем принятое сечение из двух уголков размером 160x100x9.
5.10 Подбор сечения растянутых элементов
Предельное состояние растянутых элементов определяется их разрывом , где - временное сопротивление стали, или развитием чрезмерных пластических деформаций , где - предел текучести стали.
Подобные документы
Достоинства и недостатки металлических конструкций. Классификация нагрузок и воздействий. Области применения и номенклатура металлических конструкций. Физико-механические свойства стали. Расчет металлических конструкций гражданских и промышленных зданий.
презентация [17,3 M], добавлен 23.02.2015Общая характеристика металлических листовых конструкций. Номенклатура резервуаров: эксплуатационные и производственные требования, предъявляемые к ним. Основные особенности листовых конструкций по сравнению с другими металлическими конструкциями.
презентация [6,2 M], добавлен 19.08.2013Характеристика профилей, применяющихся при сооружении металлических конструкций. Критерии и обоснование выбора стана для проката профиля, необходимое оборудование и технология проката и калибровки. Методика расчета энергосиловых параметров прокатки.
курсовая работа [1,2 M], добавлен 08.11.2009Номенклатура стальных конструкций. Достоинства и недостатки стальных конструкций. Требования, предъявляемые к металлическим конструкциям. Конструкции из металла. Балки и балочные конструкции. Колонны и элементы стержневых конструкций.
курсовая работа [45,5 K], добавлен 21.04.2003Строение пролетных и концевых балок мостового крана, преимущества коробчатой конструкции. Трехгранные и трубчатые пролетные строения. Конструктивные схемы стоек опор козловых кранов. Материалы для изготовления крановых металлических конструкций.
презентация [7,5 M], добавлен 09.10.2013Характеристика цеха изготовления и монтажа металлических конструкций, оборудования и систем вентиляции. Организационная структура подразделения. Права и обязанности работников. Сварочное оборудование, используемое в цехе. Мероприятия по охране труда.
отчет по практике [54,3 K], добавлен 21.03.2008Производство металлических пен из расплавов металлов. Свойства пеноалюминия и пеноникеля. Применение металлических пен в машиностроении, космических технологиях, строительстве и медицине. Их использование для уменьшения концентрации нежелательных ионов.
курсовая работа [586,3 K], добавлен 07.01.2014Применение деформируемых алюминиевых сплавов в народном хозяйстве. Классификация деформируемых алюминиевых сплавов. Свойства деформируемых алюминиевых сплавов. Технология производства деформируемых алюминиевых сплавов.
курсовая работа [62,1 K], добавлен 05.02.2007Система алюминий-магний (Al-Mg) как одна из самых перспективных при разработке свариваемых сплавов, основные недостатки и преимущества данной группы. Сплавы алюминия с прочими элементами, их основные характеристики. Области применения алюминиевых сплавов.
контрольная работа [24,6 K], добавлен 21.01.2015Классификация методов борирования сталей и сплавов. Марки сплавов, их основные свойства и области применения. Технологический процесс прокатки. Схема прокатного стана. Диффузионная сварка в вакууме. Сущность сверления, части и элементы спирального сверла.
контрольная работа [745,5 K], добавлен 15.01.2012
