Российская открытая академия транспорта Московского

Российская открытая академия транспорта Московского государственного университета путей сообщения МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ (включая сварку) лекции

8 Нормативные документы по металлическим конструкциям

9 Стальные конструкции К достоинствам относятся: непроницаемость; индустриальность; высокая надежность; легкость; быстрота монтажа; возможность вторичного передела. Недостатки: слабая стойкость против коррозии; потеря несущей способности при нагреве (до 600 о С). Алюминиевые конструкции Достоинства: плотность Al сплавов в 3 раза меньше плотности стали; прочность некоторых Al сплавов больше прочности стали; высокая стойкость против коррозии; изделия из Al сплавов проще и дешевле соответствующих стальных изделий; при отрицательных температурах хрупкость Al сплавов понижается, а у сталей повышается; Антимагнитность. Недостатки: Модуль упругости Al сплавов меньше модуля упругости сталей; Стоимость Al конструкций больше стоимости стальных конструкций; Коэффициент линейного расширения в 2 раза больше, чем у сталей. Достоинства и недостатки металлических конструкций

1 1 Относительная легкость конструкции из различных материалов c = ρ/R y

1 2 Стальные конструкции: каркасы промышленных зданий (в металлургии, машиностроении, судостроении, авиастроении); каркасы зданий больших пролетов общественного назначения (спортивные сооружения, выставочные павильоны, крытые рынки, гаражи, ангары, эллинги); транспортные сооружения (мосты, путепроводы, виадуки, акведуки, эстакады); каркасы высотных зданий; высотные сооружения (башни, мачты, опоры высоковольтных линий электропередачи); листовые конструкции (резервуары, трубопроводы, бункеры, газгольдеры); крановые и другие подвижные конструкции (краны мостовые, козловые, портальные, башенные, краны-перегружатели, затворы, шлюзные ворота, судоподъемники); конструкции специального назначения (атомные и химические реакторы, конструкции ракетных пусковых комплексов, радиотелескопы, морские сооружения континентального шельфа и т. п. ). Алюминиевые конструкции: витрины, витражи, архитектурные детали и т. п. ; кровельные панели; конструкции, работающие в агрессивной среде; конструкции для строительства в отдаленных районах, т. к. за счет уменьшения веса снижается стоимость перевозок. Области применения металлических конструкций и их номенклатура

Классификация нагрузок и воздействий: ПОСТОЯННЫЕ ВРЕМЕННЫЕ ДЛИТЕЛЬНЫЕ КРАТКОВРЕМЕННЫЕ ОСОБЫЕ 5 0 СОЧЕТАНИЯ НАГРУЗОК: ОСНОВНЫЕ и ОСОБЫЕ

5 1 Сортамент это каталоги ассортимента, поставляемых металлургическими заводами листов и фасонных профилей с указанием их формы, размеров, геометрических характеристик, массы и оформленные в виде государственных стандартов

5 2 Сортамент Толстолистовая сталь толщиной 4 -160 мм, шириной от 600 до 3800 мм и длиной до 12 мм. Сталь тонколистовая толщиной 0, 5 -4 мм прокатывается холодным и горячим способами. Сталь широкополосная универсальная толщиной 6 -60 мм — не требует резки и выравнивания кромок применении. Сталь полосовая толщиной 4 -60 мм и шириной до 200 мм — для изготовления гнутых профилей. Рифленая сталь с ромбическими или чечевицеобразными выступами толщиной 2, 5 -8 мм и просечно-вытяжная стал ь толщиной 4, 5 -6 мм, получаемая холодной вытяжкой листа с предварительно нанесенными разрезами. Уголковые профили — равнополочные и неравнополочные) уголки. Швеллеры с уклонами внутренних граней полок и с параллельными гранями полок. Двутавры обыкновенные и широкополочные с параллельными гранями полок. Широкополочные двутавры прокатывают трех типов: нормальные двутавры (Б), широкополочные двутавры (Ш), колонные двутавры (К). Из широкополочных двутавров путем разрезки стенки в продольном направлении получаются тавровые профили. Тонкостенные сварные двутавры изготавливают из листового проката. Два вида профилей: открытые и закрытые (замкнутые, в т. ч трубы горячекатаные и электросварные). Гнутые профили изготовляют из листа или полосы толщиной от 1 до 8 мм. Одним из видов гнутых профилей — профилированный настил.

5 3 проектирование — 3%; материал — 50%; изготовление — 25%; транспортные расходы — 7%; монтаж — 15%. Основные пути снижения стоимости конструкций заключаются в упрощении конструктивной формы элементов и их узлов, в сокращении числа вспомогательных деталей и стержней, в повышении технологичности элементов при их изготовлении, в широком применении принципов унификации и типизации. Структура стоимости металлических конструкций

5 4 Строительные стали

5 5 Прочность — сопротивление материала внешним силовым воздействиям без разрушения. Упругость — свойство материала восстанавливать свою первоначальную форму после снятия внешних нагрузок. Пластичность — свойство материала получать остаточные деформации (не возвращаться в первоначальное состояние) после снятия внешних нагрузок. Хрупкость — склонность материала к разрушению при малых деформациях. Ползучесть — свойство материала непрерывно деформироваться во времени без увеличения нагрузки. Твердость — свойство поверхностного слоя металла сопротивляться деформации или разрушению. Коррозионная стойкость определяет долговечность стальных конструкций и зависит от химического состава. Свариваемость. Наклеп, старение, неравномерное распределение напряжений, усталость. Физико-механические свойства стали

56 Физико-механические свойства стали Первый закон Гука = Е· Для стали E = tg = 2, 06· 10 5 МПа = 2, 06· 10 4 к. Н/см 2 коэффициент пропорциональности — модуль продольной деформации или модуль Юнга Для алюминия Ea = 0, 71· 10 5 Мпа Второй закон Гука = G · G = 0, 5 E / (1+ ) = 0, 3 коэффициент поперечной линейной деформации – коэффициент Пуассона Диаграмма Прандтля

57 Предельные состояния Главная особенность расчетов строительных конструкций – необходимость учета изменчивости внешних воздействий, разброса прочностных характеристик материала и особенностей работы металла в конкретных условиях. Расчет конструкций ведется по методике предельных состояний. Предельными состояниями называются такие состояния, при наступлении которых сооружение становится непригодным к эксплуатации ( первая группа предельных состояний ) или его нормальная эксплуатация становится невозможной ( вторая группа предельных состояний ). Методика расчета по предельным состояниям устанавливает соответствие между действующими нагрузками на сооружение и его несущей способностью. . Расчет конструкций должен гарантировать ненаступление предельного состояния. Расчет металлических конструкций

58 Предельные состояния В соответствии с основными положениями по расчету конструкций предельные состояния по степени возможных последствий разделены на две группы: I Группа: • разрушение любого вида (вязкое, хрупкое, усталостное); • потеря устойчивости (сжатие, изгибаемые элементы, локальные зоны элементов); • превращение системы в механизм; • опрокидывание, скольжение, отрыв; • образование цепи пластических шарниров (более 2 шарниров на прямой одного элемента); • возникновение трещин. II Группа: • деформации (прогибы, углы поворота); • колебание; • прочие нарушения, требующие временного прекращения эксплуатации и проведения ремонта. Расчет металлических конструкций

59 Предельные состояния Первая группа предельных состояний определяется прочностью элементов, устойчивостью, вибрационной прочностью, неизменяемостью конструкций, возникновением аварийных трещин. Соблюдение условия: N ≤ Φ , где N — усилие в рассчитываемом элементе (функция нагрузки и воздействия); Φ — предельное усилие, которое может выдержать элемент (функция свойства материала и размеров элемента). Вторая группа предельных состояний определяется гарантией от появления недопустимых упругих деформаций и перемещений, затрудняющих эксплуатацию конструкций в нормальном режиме. Соблюдение условия: f ≤ [ f ] , где f – перемещение конструкции (функция нагрузок); [ f ] — предельное перемещение, допустимое по условиям эксплуатации (функция конструкции и ее назначения). Расчет металлических конструкций

60 Предельные состояния. Расчет металлических конструкций Метод предельных состояний относится к полувероятностным методам. Значения расчетных внутренних напряжений от нагрузки определяются с обеспеченностью 0, 999 , т. е. допускается лишь 0, 1% случаев превышения за весь период эксплуатации; значение расчетного сопротивления по пределу текучести устанавливается аналогично.

61 Нагрузки и воздействия Постоянные нагрузки и воздействия — собственный вес конструкций, давление грунта, усилия от предварительного напряжения, гидростатическое и фильтрационное давление на гидросооружение. Временные длительные нагрузки — вес стационарного оборудования, давление жидкостей и газов в емкостях и трубопроводах, а также температурные технологические воздействия. Кратковременные нагрузки — снег, ветер, климатические температурные воздействия, подъемно-транспортное оборудование, толпа, а также воздействия волн, льда и судов на гидросооружения. Особые нагрузки — аварийные, сейсмические, от воздействий взрыва и от изменения структуры грунтов. В расчетах по первой группе предельных состояний в нормативные значения нагрузок р n вводят коэффициенты надежности по нагрузке f >1, 0. Например, для веса металлических конструкций f =1, 05 (1, 1 — когда усилия от собственного веса превышают 50% общих усилий). Расчетная нагрузка р = р n · f Расчет металлических конструкций

62 Нагрузки и воздействия Основные сочетания — постоянные, временные длительные и кратковременные нагрузки и воздействия. Особые сочетания — постоянные, временные длительные, кратковременные нагрузки и воздействия + одна из особых нагрузок. Малая вероятность одновременного воздействия нескольких нагрузок максимальной расчетной величины учитывается коэффициентом сочетания ψ ≤ 1, 0. Для временных длительных нагрузок ψ 1 = 0, 95 , для кратковременных ψ 2 = 0, 9. В особых сочетаниях ψ 1 = 0, 95 , а ψ 2 = 0, 8, при этом особую нагрузку принимают без снижения. Для сейсмических районов значения коэффициентов сочетаний установлены в специальных нормах. Расчет металлических конструкций

63 Нагрузки и воздействия Для учета класса ответственности зданий и сооружений значения нагрузок и воздействий следует умножать на коэффициенты надежности по назначению (ответственности) n. Здания и сооружения по степени ответственности, которая определяется размером материального и социального ущерба при отказе, делят на три класса (уровня): Класс I. Основные здания и сооружения объектов, имеющих особо важное хозяйственное и (или) социальное назначение, — главные корпуса ТЭС, АЭС, центральные узлы доменных печей, дымовые трубы высотой более 200 м, телевизионные башни, резервуары для нефти и нефтепродуктов вместимостью свыше 10 тыс. м 3 , крытые спортивные сооружения с трибунами, здания театров, кинотеатров, цирков, крытых рынков, учебных заведений, детских дошкольных учреждений, больниц, родильных домов, музеев, государственных архивов и т. п. — n = 1, 0. Класс II. Здания и сооружения объектов, имеющих ограниченное хозяйственное и (или) социальное значение (объекты промышленного, сельскохозяйственного, жилищно-гражданского назначения и связи, не вошедшие в I и III классы) — n = 0, 95. Класс III. Здания и сооружения объектов, имеющих ограниченное хозяйственное и (или) социальное значение, склады без процессов сортировки и упаковки для хранения сельскохозяйственных продуктов, удобрений, химикатов, угля, торфа и др. , теплицы, парники, одноэтажные жилые дома, опоры проводной связи, опоры освещения населенных пунктов, временные здания и сооружения, ограды и т. п. — n = 0, 9. Расчет металлических конструкций

64 Нагрузки и воздействия Коэффициент условий работы с учитывает самые различные факторы, сложно представляемые в аналитическом виде, как то: упрощение расчетной схемы, влияние коррозии, местные несовершенства, приближенный учет динамических воздействий и т. д. с 1 — благоприятные условия эксплуатации. Диапазон изменения 0, 7 < с < 0, 2. Расчет металлических конструкций

65 Нормативные и расчетные сопротивления стали За предельное сопротивление материала для сталей, имеющих площадку текучести, принимается значение предела текучести. Значения предела текучести и временного сопротивления, установленные в нормах, называется соответственно нормативным сопротивлением по пределу текучести R yn и нормативным сопротивлением по временному сопротивлению R un. Основной расчетной характеристикой стали является расчетное сопротивление , определяемое делением нормативного сопротивления на коэффициент надежности по материалу R y = R yn / m; R u = R un / m При поставке сталей по ГОСТ 27772 -88 для всех сталей кроме С 590 и С 590 К m = 1, 025. При поставке стали по ГОСТ 370 -93 и ГОСТ 19281 -89 (с изменениями), а также для сталей С 590 и С 590 К по ГОСТ 27772 -88 m =1, 05. При расчете конструкций с использованием расчетного сопротивления, установленного по временному сопротивлению, учитывают повышенную опасность такого состояния путем введения дополнительного коэффициента надежности m =1, 3. Расчет металлических конструкций

66 Нормативные и расчетные сопротивления стали Расчет металлических конструкций

67 Расчет по предельным состояниям Предельное неравенство расчета по I группе предельных состояний: Σ N i · F i · fi · ψ ≤ R yn · A · c / n · m , где: Σ N i — усилие в элементе от i -той единичной нагрузки; F i — значение i -той нагрузки; fi — коэффициент надежности для i -той нагрузки; ψ — коэффициент сочетания; R yn — нормативное сопротивление стали; A — условная характеристика сечения; c — коэффициент условий работы; n — коэффициент надежности по назначению; m — коэффициент надежности по материалу. Для II группы предельных состояний: Σ f i · F ni · ψ ≤ [ f ] / n , где: Σ f i — перемещение конструкции при единичной нагрузке; F ni — значение i -той нормативной нагрузки; [ f ] — предельное значение перемещений. Расчет металлических конструкций

Примеры расчета металлических конструкций гражданских и промышленных зданий

Расчет балочных конструкций Основные несущие элементы перекрытий зданий – стержни двутаврового сечения, работающие на изгиб (балки) Конструктивные решения балочных перекрытий. Перекрытие – система пересекающихся балок (балочная клетка).

Схема балочной клетки 1 – грузовая площадь вспомогательной балки; 2 – грузовая площадь главной балки; 3 – грузовая площадь колонны (рис. 1).

Нагрузка на перекрытие обычно принимается равномерно распределенной. В рассматриваемых примерах равномерно распределенная нагрузка на перекрытие, включая собственный вес конструкций, составляет q 0 = 5 , 0 к. Н/м 2 , коэффициенты надежности по нагрузкам учтены.