3998
.pdfМИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»
О.Б. Иванова
МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ
Учебно-методическое пособие
по подготовке к лекциям и практическим занятиям (включая рекомендации по организации самостоятельной работы) по дисциплине «Металлические конструкции»
для обучающихся по направлению подготовки 08.03.01 Строительство, направленность (профиль) Промышленное и гражданское строительство
Нижний Новгород
2022
МИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»
О.Б. Иванова
МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ
Учебно-методическое пособие
по подготовке к лекциям и практическим занятиям (включая рекомендации по организации самостоятельной работы) по дисциплине «Металлические конструкции»
для обучающихся по направлению подготовки 08.03.01 Строительство, направленность (профиль) Промышленное и гражданское строительство
Нижний Новгород ННГАСУ
2022
УДК
Иванова О.Б. Металлические конструкции : учебно-методическое пособие / О.Б. Иванова ; Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет. – Нижний Новгород : ННГАСУ, 2022. – 20 с. – Текст : электронный.
Приведены рекомендации по изучению курса лекций и подготовке к практическим занятиям по металлическим конструкциям зданий и сооружений. Приведены основные особенности изучения лекций, изложены основные положения курса: основные особенности формирования знаний, умений и владений данным предметом; выбор стали и проката; основные положения проектирования и расчетов по первой и второй группам предельных состояний балок, колонн и легких ферм, а также их болтовых и сварных соединений; приведены современные требования к проектированию и строительству инженерных сооружений, включая здания; рассмотрены большепролетные конструкции.
Предназначено для обучающихся в ННГАСУ для подготовки к лекционным и практическим занятиям по учебной дисциплине "Металлические конструкции" по направлению подготовки Строительство, профиль Промышленное и гражданское строительство.
© О.Б. Иванова, 2022 © ННГАСУ, 2022
3
Введение.
В своей практической деятельности бакалавр направления 08.03.01 Строительство, профиль Промышленное и гражданское строительство может встречаться или с проектированием и возведением строительных стальных конструкций, или с их эксплуатацией. Во всех этих случаях ему необходимо четко представлять работу стальных конструкций под нагрузкой.
Изучив курс металлических конструкций, студент должен обладать следующими навыками:
а) правильно оценивать свойства стали, как строительного материала, правильно назначать его применение в конструкциях;
б) правильно выбирать оптимальное решение стальных конструкций; в) рационально и экономно проектировать стальные конструкции;
г) проектировать совместную систему комплекса элементов на основе изучения одноэтажных производственных зданий (ОПЗ), оборудованных мостовыми кранами;
д) иметь представление о проектировании большепролетных сооружений. Изучению курса металлических конструкций должно предшествовать изучение сле-
дующих дисциплин: металловедение и сварочные работы в строительстве; сопротивление материалов; строительная механика; архитектура промышленных и гражданских зданий.
Тема 1. Основные особенности изучения общего курса стальных конструкций студентами направления 08.03.01 Строительство, профиль Промышленное и гражданское строительство
Приступая к изучению данного курса лекций, студент должен, как будущий бакалавр по направлению Строительство с профилем «ПГС», понять, что здания и сооружения предназначены для удовлетворения определенных потребностей общества, что они состоят из множества отдельных элементов и частей, объединенных в единые системы. Поэтому студент, решая практические задачи для отдельных несущих элементов, должен учитывать влияние целого здания (сооружения), так как нагрузки и воздействия, переходя от одного элемента к другому, принимают форму усилий взаимодействия: нормальных, поперечных,
изгибающих и крутящих. И это – первая особенность изучения студентами данного
курса лекций.
Вторая особенность изучения данной дисциплины состоит в том, что нормативная база построена на принципах итерационных поверочных расчетов элементов на основе предварительных заданных параметров: сечений, материалов; первичных усилий, полученных с идеализированных расчетных схем; а задача конструктора – создать надежную конструктивную схему здания (сооружения), обеспечивающую простой и надежный путь движения силовых потоков.
Третья особенность определена максимально простыми алгоритмами поверочных расчетов элементов при сохранении требуемой надежности по нормам, но при понимании студентом теоретических обоснований принятых алгоритмов и расчетных положений.
Изучая расчеты и проектирование отдельных элементов и их соединений, студент должен понимать, что конструкции зданий (сооружений) делятся на три основные группы:
1) несущие, образующие основной каркас,
4
2) ограждающие (не только стальные), выполняющие целый ряд других функций при эксплуатации здания (сооружения): изолирующие, температурно-влажностные, обеспечение сопротивления атмосферным нагрузкам и другие;
3) вспомогательные: лестницы (в том числе и стальные), площадки, окна, ворота; другие, предназначенные для обслуживания строительного объекта.
Более подробно об этом студенту рекомендуется самостоятельно ознакомиться в учебной литературе [1, стр. 26-30] и законспектировать в дополнение к аудиторному конспекту лекций.
Тема 2. Выбор материалов для строительных стальных конструкций
При освоении данной темы студенту следует овладеть основными понятиями механических характеристик стали: прочность, упругость, пластичность, склонность к хрупкому разрушению по [1, стр. 34-39], а также химический состав по [3], включая свариваемость и коррозионную стойкость, их нормативные и расчетные параметры.
Важным является понимание основных принципов классификации конструкций по сложности эксплуатации и деление на четыре группы [2, стр. 105, Приложение В], а также деление на три климатические зоны по расчетной температуре наиболее холодных суток [2, табл. В.1].
Здесь также студенту предлагается усвоить основные экономические характеристики фасонного проката и гнутых профилей по разным ГОСТ (ам) в зависимости от их применения в элементах, работающих на растяжение и сжатие; на изгиб.
Следует изучить основные достоинства и недостатки сталей как материалов для строительных конструкций.
Таким образом, основные вопросы, которые студент должен освоить, чтобы правильно выбрать материал для конструкций, следующие:
1)основные технические характеристики стали по механическим свойствам;
2)нормирование полезных компонентов и вредных примесей в строительных сталях;
3)классификация листового и фасонного проката по ГОСТ 27772-88;
4)основные принципы классификации строительных конструкций по группам эксплуатации;
5)расчетные температуры наиболее холодных суток на территории России и их влияние на выбор стали (табл. В.1[2]).
6)основные экономические характеристики фасонного проката и гнутых профилей по разным ГОСТ в зависимости от НДС конструкций.
7)основные достоинства и недостатки сталей для строительных конструкций.
Тема 3. Основные положения расчета стальных строительных конструкций по предельным состояниям
При освоении данной темы студенту важно понять, что в основу расчетов стальных конструкций по предельным состояниям положен принцип обеспечения заданных условий эксплуатации при минимальной стоимости конструкций. Метод расчета по предельным состояниям (МПС) введен в Советском Союзе с 01.01.1955 г. и постоянно совершенствуется.
5
При изучении данной темы студенту полезно ознакомиться с историей вопроса, так как до 01.01.1955 г. в нашей стране и за рубежом действовал метод допускаемых напряжений (МДН) с 1826 г. [4]. Кроме того, при изучении дисциплины «Сопротивление материалов» еще часто используют терминологию метода допускаемых напряжений.
Для лучшего освоения МПС студенту рекомендуется ознакомиться с ГОСТ 542572010 [5], который с 11.12.2014 г. переформатирован в ГОСТ 27751 – (действовал с 1988 г.) [6], а сейчас называется как ГОСТ 27751-2014. В новом ГОСТ 27751 обозначены все основные нормативы для расчетов по предельным состояниям. При этом одними из нормативных положений обозначены нормативные и расчетные нагрузки и воздействия, подробно изложенные в [7].
Так как действующая учебная литература не успевает переиздаваться по сравнению с изменениями нормативны документов, то студенту следует учесть, что в [7] введены новые требования по расчетным сочетаниям нагрузок ([7], р.6, стр. 4-5).
Таким образом, основные вопросы, которые студент должен освоить по основным положениям расчета стальных строительных конструкций по предельным состояниям, сле-
дующие:
1)история развития расчетов стальных конструкций [см. 4];
2)классификация всех нагрузок по видам [7]: собственный вес (постоянные нагрузки), технологические, атмосферные, монтажные, аварийные;
3)классификация воздействий на здания и сооружения: температурные, сейсмические, взрывные;
4)классификация нагрузок и воздействий по скорости приложения: статические
идинамические [5, 6, 7];
5)по продолжительности действия нагрузок и воздействий на конструкции: постоянные, временные длительные, временные кратковременные, временные особые [7, р.5];
6)по численному значению нагрузок в расчетах по первому и второму предельным состояниям [7, р. 8-11];
7)по сочетаниям нагрузок и воздействий: основные и особые [7, р.5];
8)разделение расчетов по первой и второй группам предельных состояний для конкретных НДС конструкций: растяжение (сжатие) центральное, растяжение (сжатие) внецентренное, изгиб, - в первой группе предельных состояний прогибы; углы поворотов, осадки, колебания – во второй группе предельных состояний [2; 5; 6; 8];
9)ознакомиться и различать основанные термины предельных состояний: несущая способность, нормальная эксплуатация, долговечность, ситуации (установившаяся, переходная, аварийная); надежность, особое предельное состояние [5, 6].
Кроме того, студент, создавая из конструктивных схем каркасов расчетные схемы, должен обеспечить в последних условиях работы, близкие к действительным.
Тема 4. Основы работы, расчета и проектирования болтовых соединений элементов стальных строительных конструкций
Приступая к освоению данной темы студенту, помимо информации, получаемой на лекциях, полезно по литературе [1, стр. 127-129] ознакомиться с историей применения и развития болтовых соединений. Современные требования к болтам и болтовым соедине-
ниям изложены в [2, р.5; 6; 14.2; 14.3; 14.4; 15.9; 15.11].
6
При изучении данной темы студент должен усвоить, что применение болтов разных классов зависит от НДС соединений и климатических условий эксплуатации (расчетные температуры наиболее холодных суток).
Размещение болтов в соединениях зависит от их нагруженности (расчетные соединения от расчетных сочетаний нагрузок – на минимальных расстояниях между болтами; конструктивные соединения – на максимальных расстояниях). С этими требованиями можно ознакомиться в [2, табл. 40].
Особое место занимают фрикционные соединения на высокопрочных болтах [2, р.
14.3].
Во всех болтовых соединениях важное значение имеет точность посадки болтов в отверстия. По этому признаку болтовые соединения в современных нормах [2, р.14.2] имеют два класса «А» и «В».
Изучив основы работы и расчета болтовых соединений, студент должен четко разделять работу и расчет сдвиговых соединений при разных НДС элементов и фрикционных соединений так же при разных НДС элементов. При этом ослабленные элементы отверстиями под болты следует проверять на прочность.
Важное значение при освоении болтовых соединений имеют знания технологических требований к болтовым соединениям.
Таким образом, основные вопросы, которые студент должен освоить по теме работы и расчетов болтовых соединений элементов стальных конструкций, следующие:
1)история применения и развития болтовых соединений;
2)основные требования к современным болтам и болтовым соединениям;
3)основы работы болтовых соединений на сдвиг при статических нагрузках;
4)основы расчета сдвиговых соединений на болтах классов точности «А» и «В» при разных НДС соединяемых элементов;
5)основы работы и расчета фрикционных соединений на высокопрочных болтах с контролируемым натяжением при разных НДС соединяемых элементов;
6)основы размещения болтов в расчетных и конструктивных соединениях (рядовое, шахматное; в один ряд, в два ряда); технологические требования к размещению болтов.
Тема 5. Основы работы, расчета и проектирования сварных соединений элементов стальных строительных конструкций
Приступая к освоению данной темы, в дополнение к лекциям студенту рекомендуется, как и в предыдущей теме, ознакомиться с историей применения и развития сварки в строительных стальных конструкциях [1, стр. 128-129]; изучить классификацию современной электродуговой сварки: ручной, механизированной, автоматической, электрошлаковой, газовой [1, стр. 129-133]; классификацию сварных соединений (стыковые и угловые)
по разным признакам:
1)конструктивному – разделка кромок в стыковых швах; деление на лобовые
ифланговые швы и выполнение соотношений катетов в соединениях на угловых швах;
2)по положению в пространстве соединений элементов – палубные (нижние); горизонтальные и вертикальные на вертикальных поверхностях; потолочные;
3)по назначению – расчетные и конструктивные;
4)по протяженности – непрерывные и прерывистые;
7
5)по характеру работы – прочные, плотные, прочно-плотные;
6)по месту выполнения – заводские и монтажные;
7)по числу проходок – однопроходные (однослойные), многопроходные (мно-
гослойные).
Важно понимать работу и расчет стыковых и угловых швов при разных НДС соединяемых элементов; значение в расчетах выводных планок; особенности применения сварочных материалов для разных сталей и разных защитных сред: под флюсом, в углекислом газе, порошковой проволокой, покрытыми электродами [2, Приложение Г].
Важно уяснить, почему при неравномерном распределении сварочных напряжений по длине, ширине и толщине сварных швов, их расчет по нормам допускают по средним значениям.
Таким образом, основные вопросы, которые студент должен освоить по теме, сле-
дующие:
1)история применения и развития сварки и сварных соединений в стальных строительных конструкциях;
2)классификация электродуговой сварки;
3)классификация стыковых сварных соединений;
4)основы расчета и проектирования стыковых сварных соединений при разных НДС соединяемых элементов стальных конструкций [1, стр. 137-154];
5)классификация сварных соединений на угловых швах; в чем различие зон по металлу шва и по металлу границы сплавления;
6)основы расчета и проектирования сварных соединений на угловых швах при разных НДС соединяемых элементов стальных конструкций [1, стр. 137-154];
7)современные нормативные допуски на применение комбинированных болтовых и сварных соединений;
8)понятие о свариваемости стали [1, стр. 161-163], [2, табл. В.4], [3].
Тема 6. Основы проектирования и расчета изгибаемых элементов стальных строительных конструкций
При освоении данной темы студенту желательно рассматривать основы проектирования изгибаемых элементов отдельно из прокатных и гнутых профилей и отдельно элементов составного сечения (в основном сварных):
6,а. Основы проектирования и расчета балок из прокатных двутавров и швеллеров, гнутых профилей открытого и замкнутого сечений
При изучении данного раздела темы в лекциях преподаватель акцентирует внимание студента на том, что в основе расчета и проектирования балок (в том числе и прокатных) лежат знания по таким учебным дисциплинам, как сопротивление материалов и строительная механика. Тем не менее, есть особенности, связанные с экономическими характеристиками проката. Одной из таких характеристик является ядровое расстояние – отношение момента сопротивления сечения к его площади. Эта характеристика является мерой выгодности по расходу стали изгибаемого проката по разным ГОСТ.
Далее преподаватель обращает внимание студентов на то, что в прокатном двутавре или швеллере расчетное сопротивление стали принимается по его величине в поясах, но не в стенке. Это идет в расчетах несколько в запас надежности, но существенно упрощает рас-
8
чет. Балочный прокатный и гнутый профиль наиболее распространен в стальных конструкциях перекрытий и покрытий, где он работает совместно с настилом: плоским или профилированным. Поэтому студенту важно знать и уметь проектировать настил в балочных перекрытиях и покрытиях. В стальных конструкциях перекрытий и покрытий применяют, в основном, относительно тонкий настил, в котором одновременно проявляются и цепные, и изгибные напряжения. Поэтому в практических расчетах настила пользуются приближенными методиками по формулам или по графикам, исходя из предельно допускаемого прогиба. Эти вопросы студент, кроме лекций, осваивает в практических задачах.
Студенту-выпускнику вуза в практической работе могут потребоваться умения делать поверку прочности существующих настилов при их эксплуатации. Этот вопрос в лекциях также рассматривается в форме методики поверочных расчетов.
Для проектирования более надежных и экономичных прокатных балок студенту дается современная нормативная база по делению элементов стальных конструкций на три класса в зависимости от использования упругой или упруго-пластической работы стали. По этому же признаку на три класса делятся и балки, в том числе прокатные двутавровые.
Для лучшего понимания и усвоения методики расчета прокатных балок по первому
ивторому предельным состояниям с учетом деления их на классы студенту в лекциях дается полный алгоритм такого расчета от компоновки монтажной схемы перекрытия (покрытия) и выбора расчетной схемы разрезной балки до всех проверок принятого итерационным путем сечения прокатной балки с разделением на классы для учета или не учета развития пластических деформаций при изгибе как в плоскости наибольшей жесткости, так и при изгибе в двух главных плоскостях.
Особо выделен вопрос, трудно дающийся студентам, по особенностям расчета на прочность неразрезных прокатных балок. Здесь вопрос раскрывается с разделением на классы балок, учтены разрные расчетные схемы: однопролетные с шарнирными опорами, защемленные в опорах балки и многопролетные с шарнирными опорами и защемленными крайними опорами. Показано, при каких условиях неразрезные балки следует рассчитывать по упругой стадии работы стали (как балки первого класса), а при каких – как балок второго
итретьего классов с учетом развития пластических деформаций.
Отдельным вопросом студенты знакомятся в лекциях с основами проверок прокатных балок на общую устойчивость. Методика проверки изложена для балок первого класса, а для балок второго и третьего классов учтены особенности для зон пластичности. Все эти вопросы студент должен закрепить в своих умениях в процессе выполнения практических задач в курсовом проектировании.
Таким образом, основные вопросы, которые предлагаются студенту в лекциях для усвоения основ проектирования и расчета балок из прокатных и гнутых профилей, следу-
ющие:
1)общие сведения о балках и балочных системах перекрытий и покрытий;
2)классификация балочных систем;
3)основы компоновки и расчета настилов балочных клеток (рабочих площадок);
4)основы компоновки и расчета балок сплошного сечения из прокатных и гнутых профилей;
5)деление балок на классы в зависимости от назначения и условий эксплуатации;
6)алгоритм расчета разрезных балок из прокатных и гнутых профилей;
7)особенности расчета на прочность неразрезных прокатных двутавровых балок;
9
8)основы проверок прокатных двутавровых балок на общую устойчивость;
9)основы проверок прокатных двутавровых балок на прогиб (второе предельное состояние).
6,б. Основы проектирования и расчета балок составного сечения (сварных) при статических нагрузках
Здесь в процессе изложения лекций преподаватель знакомит студентов со следующими вопросами:
- основные принципы компоновки поперечного сечения балок исходя из экономических соображений по расходу стали (определяется оптимальная высота поперечного сечения балки постоянного сечения) и из условий допускаемого прогиба (определяется минимальная высота при полном использовании расчетного сопротивления стали на изгиб). При этом обеспечивается необходимая толщина стенки из условий среза от расчетной поперечной силы и из условий ее местной устойчивости (по допускаемой гибкости):
- рекомендуемый алгоритм предварительного подбора расчетного сечения составной сварной балки первого класса, однопролетной с шарнирными опорами, включающей
следующие вопросы:
1)компоновка балочной системы перекрытия (покрытия), включающей балки составного сечения, сварные;
2)выбор расчетной схемы составной сварной балки из системы перекрытия (покры-
тия);
3)выполнение статического расчета с определением расчетных сочетаний усилий М, Q от системы нагрузок;
4)определение оптимальной и минимальной высот поперечного сечения;
5)назначение фактической высоты поперечного сечения балки;
6)назначение толщины стенки;
7)определение поперечного сечения поясов;
8)проверки назначенного сечения балки по первому и второму предельным состояниям и корректировки его при необходимости;
- проверки на прочность составных балок постоянного сечения по длине пролета (они аналогичны проверкам прокатных двутавровых балок первого, второго и третьего классов, в том числе и неразрезных);
- для бистальных разрезных двутавровых балок постоянного сечения при установленных ограничениях [2, п. 8.2.8] допускается расчет на прочность с учетом ограниченного развития пластических деформаций как для балок второго класса при изгибе как в плоскости наибольшей жесткости, так и при изгибе в двух главных плоскостях; в зоне чистого изгиба на эти балки распространяется расчет [2, п. 8.2.8] как балок третьего класса с коэф-
фициентами с xm , с ym , а в опорных сечениях – на полную поперечную силу (п. 8.2.3, [2]);
-проверки на прогиб сварных балок постоянного сечения аналогичны проверкам прокатных балок, а для балок переменного сечения необходимо использовать дополнительные правила строительной механики;
-проверки сварных балок постоянного сечения по длине пролета на общую устойчивость выполняются по методике прокатных двутавровых балок, за исключением опреде-
ления коэффициента « » по другой формуле [2, Приложение ж.3,б; ж.4];