Лекция 1 Преимущества и недостатки металлических конструкций Стальные

Лекция 1. Преимущества и недостатки металлических конструкций Стальные конструкции Основной материал металлических конструкций – сталь, иногда используют алюминиевые сплавы. [+] [-] • Высокая прочность при небольшой собственной массе; • Подверженность коррозии, необходимость антикоррозионной защиты; • Высокая индустриальность и скорость монтажа; удобство изготовления и усиления; • Низкая огнестойкость, необходимость огнезащиты; • Непроницаемость для жидкостей и газов. Алюминиевые конструкции • Опасность хрупкого разрушения при низких температурах. Эффективность применения стальных конструкций повышается с увеличением нагрузок, пролётов и высоты (этажности) сооружений. [+] по сравнению со стальными [-] по сравнению со стальными • В 2 раза легче; • Деформативность выше в 3 раза; • В 10… 20 раз выше коррозионная стойкость; • Огнестойкость ниже в 3 раза; • Отсутствие искр при ударе. • Более высокая стоимость.

Свойства, существенно важные для строительных сталей Высокая прочность Чем прочнее сталь, тем меньше её расходуется (кроме сжатых элементов) Свойства сталей (А) Механические (Б) Технологические Достаточная пластичность Пластическое разрушение происходит плавно, постепенно, это исключительно важно для безопасности конструкции Обрабатываемость Стойкость к хрупкому разрушению При изготовлении конструкций должна быть обеспечена возможность гибки, резки, строжки, сверления отверстий Хрупкое разрушение происходит резко, внезапно и при меньших деформациях, очень опасно Свариваемость Сварка является основным способом соединения элементов металлических конструкций (В) Эксплуатационные Коррозионная стойкость Повышает долговечность конструкций Отсутствие склонности к старению Все перечисленные свойства зависят от химического состава стали. Старение заключается в снижении пластичности и стойкости к хрупкому разрушению

Химический состав стали Сталь – это сплав железа с углеродом и некоторыми добавками. Железо обеспечивает стали пластичность, углерод – прочность, но снижает пластичность и ухудшает свариваемость. Содержание углерода в сталях, применяемых для строительных конструкций, обычно составляет не более 0, 22% (малоуглеродистая сталь). Вредные примеси (фосфор, сера, атмосферные газы – кислород, азот) – ухудшают свариваемость стали, снижают её пластичность и стойкость к хрупкому разрушению. Фосфор повышает хрупкость стали при пониженных температурах (хладноломкость). Сера способствует образованию трещин при температуре 800… 1000° С (красноломкость). Содержание серы и фосфора в стали ограничивают (не более 0, 035… 0, 050%), а при сварке металл стараются защищать от воздействия атмосферы. В процессе кристаллизации стали выделяется большое количество газов (кислорода и др. ), которые впоследствии застывают в виде пузырьков, ухудшая её качество ( «кипящая сталь» – кп). Добавки-раскислители (кремний - до 3 кг на тонну стали, марганец) связывают газы, образуя шлак ( «спокойная сталь» – сп). Шлак концентрируется в верхней части слитка, которую впоследствии срезают и отправляют в переплавку. Кремний снижает пластичность, свариваемость и коррозионную стойкость стали, однако его вредное влияние снижается при добавлении марганца. Раньше в качестве раскислителя применяли алюминий (до 0, 1%). При меньшем количестве раскислителя (до 1, 5 кг на тонну) получается «полуспокойная сталь» – пс. Сталь Раскислитель, % Срезаемая часть слитка, % кремний марганец 0, 05 0, 30… 0, 60 5 полуспокойная (пс) 0, 05… 0, 15 0, 40… 0, 65 8 спокойная (сп) 0, 15… 0, 30 0, 40… 0, 65 15 кипящая (кп)

Химический состав стали Для повышения прочности стали применяется легирование, термическая, механическая и термомеханическая обработка. Основные виды термической обработки – закалка, нормализация, отпуск и отжиг (они отличаются температурой нагрева и условиями охлаждения). Легирование стали заключается в добавлении специальных легирующих элементов, повышающих её прочность и пластичность. Некоторые добавки связывают вредные примеси, превращая их в полезные. Однако легирующие добавки ухудшают свариваемость стали, поэтому в строительстве применяют низколегированные стали, в которых суммарное содержание легирующих добавок составляет не более 5%. Строительные стали легируют преимущественно вададием (0, 07… 0, 12%). Ванадий и молибден предотвращают разупрочнение термообработанной стали при сварке. Медь, хром и никель повышают стойкость стали к атмосферной коррозии. Добавки-раскислители (кремний, марганец) также являются легирующими. По химическому составу стали можно оценить её свариваемость, вычислив углеродный эквивалент: где С, Mn, Si, Cr, Ni, Cu, V, P – массовая доля углерода, марганца, кремния, хрома, никеля, меди, ванадия и фосфора, %. Если Сэ 0, 4%, то трещины при сварке возникать не будут.

Прокатка стали и её влияние на прочность Прокатка является одним из видов горячей обработки металлов давлением (ОМД) и производится на прокатных станах. Разогретые слитки многократно пропускаются между двумя валками, вращающимися навстречу другу, при этом металл пластически деформируется и приобретает заданную форму (лист, рельс, двутавр и т. д. ). Чем толще прокат, тем меньше степень обжатия и скорость охлаждения, поэтому с увеличением толщины проката прочностные характеристики снижаются. Прочность при растяжении в направлении толщины проката составляет около 5 % от прочности в перпендикулярном направлении (анизотропия свойств). Прокатка стали Расслоение поперечной диафрагмы в балке Усиление Расслоение пояса колонны в месте примыкания консоли

Лекция 2. Механические испытания металлов Для оценки механических свойств стали проводят испытания: • на растяжение (ГОСТ 1497); • на ударную вязкость (ГОСТ 9454); • на изгиб в холодном состоянии (ГОСТ 14019). Испытания на изгиб характеризуют способность металлов выдерживать пластическую деформацию. Образец толщиной а гнут вокруг оправки диаметром D (обычно D = 2 a) до параллельности сторон. На образце после изгиба не должны появляться трещины, заметные невооружённым глазом. Характерные диаграммы деформирования при растяжении образцов 1 – алюминиевый сплав; 2 – малоуглеродистая сталь; 3 – чугун; 4 – низколегированная термоупрочнённая сталь.

Диаграмма деформирования стали при растяжении , МПа Прочностные характеристики стали: 800 Физический предел текучести y – напряжение, при котором происходит рост пластических деформаций без увеличения внешней нагрузки. y = yeld (текучесть) Условный предел текучести 0, 2 – напряжение, при достижении которого и последующей разгрузке остаточные деформации составляют 0, 2%. Временное сопротивление u – напряжение, которое соответствует наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца. u = ultimate (предельный) Стали высокой прочности u 0, 2 600 Стали обычной прочности Стадия самоупрочнения u 400 y 200 Площадка текучести tg = E (модуль упругости) 0 0, 2 % 8 12 16 20 Разрыв образца 24 , % Стадия упругой работы Упругие характеристики стали: модуль упругости Е = tg = = 2, 06 105 МПа (принимается постоянным для всех марок стали); предел упругости е ; е = elastic (упругость). Пластичность характеризуется относительным остаточным удлинением при разрыве ; p = plastic (пластичность).

Испытания на ударную вязкость проводятся на маятниковых копрах; под ударом молота образец разрушается. Ударная вязкость КС (Дж/см 2) определяется отношением работы, затраченной на разрушение образца, к площади его поперечного сечения. Для ужесточения условий испытаний a в образцах делают надрез, возникает концентрация напряжений; Образец с U-образным надрезом (образец Менаже) Образец с V-образным надрезом (образец Шарпи) Образец с трещиной a понижают температуру среды (– 20°С; – 40°С; – 70°С); a образцы подвергают искусственному старению (создают остаточное удлинение 10% и нагревают в печи до 250 °С). Схема испытаний

Испытания на ударную вязкость Ударная вязкость является комплексным показателем, характеризующим a Состояние стали (хрупкое или вязкое); a Чувствительность стали к концентрации напряжений; a Сопротивление стали динамическим воздействиям; a Склонность стали к хрупкому разрушению при пониженных температурах; Зависимость ударной вязкости стали от температуры KCU, Дж/см 2 100 3 80 2 60 40 1 30 20 a Склонность стали к старению. t, °С 1 – сталь С 235 2 – сталь С 255 К хрупкому разрушению при пониженной температуре наиболее склонны кипящие стали. 3 – сталь С 375 порог хладноломкости

Нормирование прочностных характеристик стали Прочность любого материала находится под влиянием большого числа факторов и не остаётся постоянной даже в пределах одной партии образцов, поэтому её нормируют с использованием методов математической статистики. Среднее значение (математическое ожидание) рассматриваемой характеристики х (например, х = y): «Правило трёх сигм» 25 20 15 10 5 0 гистограмма нормальный закон распределения 10 200 220 240 260 280 300 320 340 где n – число испытаний; i – номер интервала, в котором находится результат испытания. Среднее квадратическое отклонение (стандарт распределения): Нормативное сопротивление материала: где 1, 64 – показатель надёжности, гарантирующий обеспеченность 0, 95; V – коэффициент вариации, характеризующий качество технологии. 360

Лекция 3. Нормативное и расчётное сопротивление стали Нормативное сопротивление материала Rn – Обеспеченность Гауссовский показатель надёжности 0, 95 1, 64 0, 9973 3 это значение его прочностной характеристики, принятое с обеспеченностью 0, 95 на основании статистической обработки результатов стандартных испытаний образцов. Обеспеченность (доверительная вероятность) нормативного сопротивления 0, 95 означает, что из 100 образцов 95 будут иметь прочность не ниже нормативного значения. Нормативное сопротивление контролируется на производстве, а при выполнении расчётов пользуются расчётным сопротивлением: Материал Коэффициент вариации V Коэффициент надёжности по материалу m Сталь 0, 075… 0, 105 1, 025… 1, 15 Бетон 0, 135 1, 3 1 2 где m – коэффициент надёжности по Коэффициент вариации V 1 < V 2 материалу ( m > 1); учитывает a неблагоприятные отклонения сопротивления материала от его нормативного значения вследствие неоднородности свойств; a установленные допуски на размеры сечений проката. У какой из технологий: (1) или (2) выше качество?

Нормативные и расчётные сопротивления стали (СНи. П II-23 -81*. Стальные конструкции) Нормативное сопротивление Расчётное сопротивление по пределу текучести ( y) Ryn Ry по временному сопротивлению ( u) Условные обозначения Run Ru Нормативные и расчётные сопротивления проката, МПа Сталь толщина проката, мм нормативные листового, широкополочного, универсального расчётные фасонного листового, широкополочного, универсального фасонного Ryn Run Ry Ru С 245 от 2 до 20 св. 20 до 30 245 - 370 - 245 235 370 240 - 360 - 240 230 360 С 345 от 2 до 10 св. 10 до 20 св. 20 до 40 345 325 305 490 470 460 335 315 300 480 460 450 С 375 от 2 до 10 св. 10 до 20 св. 20 до 40 375 355 335 510 490 480 365 345 325 500 480 470

Обозначение марок малоуглеродистых сталей (ГОСТ 380, ГОСТ 535) Поставка стали, применяемой в строительстве, осуществляется по соответствующим стандартам (ГОСТ, ТУ, СТО), регламентирующим её качество. Группа поставки (отменена в последней редакции стандарта) В стандартах приводятся требования к химическому составу стали, нормируемые характеристики механических свойств, правила обозначения марок; данные, которые должен содержать сертификат на поставку партии стали. Чем ответственнее конструкция, тем строже требования. ВСт3 пс6 А – по механическим свойствам Б – по химическому составу В – по механическим свойствам и химическому составу Условный номер марки (Ст0 … Ст6) Категория стали (1… 6), указывает вид испытаний на ударную вязкость Степень раскисления сп – спокойная пс – полуспокойная кп – кипящая Ст3 Гпс5 Сталь с повышенным содержанием марганца (0, 80… 1, 10%) ГОСТ 380 -94. Сталь углеродистая обыкновенного качества. Марки. ГОСТ 535 -88. Прокат сортовой и фасонный из стали углеродистой обыкновенного качества.

Обозначение марок низколегированных сталей (ГОСТ 19281, ГОСТ 19282) Двухзначные цифры слева показывают примерное среднее содержание углерода в сотых долях процента; буквы справа от цифр: Г марганец, С - кремний, Х хром, Н - никель, Д - медь, Ф - ванадий, Б - ниобий, А - азот, П – фосфор; (не ставится, если содержание до 0, 3%); цифры после букв примерное содержание соответствующего элемента в целых единицах (не ставятся, если содержание до 1%). 09 Г 2 С содержание углерода до 0, 09% кремний до 1% марганец до 2% 15 ХСНД содержание углерода до 0, 15% медь до 1% хром до 1% никель до 1% кремний до 1% ГОСТ 19281 -89. Прокат из стали повышенной прочности. Общие технические условия. ГОСТ 19282 -73*. Сталь низколегированная толстолистовая и широкополосная универсальная. Технические условия.

Обозначение классов прочности стали (ГОСТ 27772 -88) С 245 Ryn для наименьшей толщины «Сталь строительная» проката (с округлением до 5 МПа). Стали повышенной коррозионной стойкости: С 345 К С 345 Д Сталь с увеличенным содержанием хрома (0, 50… 0, 80%) Сталь с увеличенным содержанием меди (0, 15… 0, 30%) Стали, поставляемые по разным стандартам, взаимозаменяемы. Одному классу прочности могут соответствовать разные марки стали. ГОСТ 27772 -88. Прокат для строительных конструкций. Общие технические условия.

Классификация сталей по прочности Группа стали Стали обычной прочности малоуглеродистые , % 2, 5 0, 6… 0, 7 21 0, 7… 0, 8 17 отс. 0, 8… 0, 9 12 С 345; С 375 Стали высокой прочности низколегированные с термическим упрочнением y / u С 235; С 245; С 255; С 275; С 285 Стали повышенной прочности низколегированные Протяженность площадки текучести, % 1… 1, 5 Классы прочности по ГОСТ 27772 -88 С 390; С 440; С 590 Класс прочности Марка стали С 235 Ст3 кп 2 С 345 12 Г 2 С, 09 Г 2 С С 245 Ст3 пс5, Ст3 сп 5 С 375 12 Г 2 С С 255 Ст3 Гпс, Ст3 Гсп С 390 14 Г 2 АФ С 275 Ст3 пс С 440 16 Г 2 АФ С 285 Ст3 сп, Ст3 Гпс, Ст3 Гсп С 590 12 Г 2 СМФ Обозначение стали по старому СНи. П II-В. 3 -72 С 38/23 Run Ryn в к. Н/см 2 (кгс/мм 2)

Выбор марки стали для конструкции (СНи. П II-23 -81*. Стальные конструкции) В зависимости от условий работы стальные конструкции разделяются на 4 группы, для которых установлены применяемые марки стали (табл. 50*СНи. П II-23 -81*). Группа конструкций 1 2 3 4 В одной конструкции можно применять разные марки стали. Для более нагруженных элементов используется более прочная сталь. Характеристика работы сварных* конструкций Примеры конструкций Работающие в особо тяжёлых условиях или подвергающиеся воздействию динамических, вибрационных или подвижных нагрузок • подкрановые балки Работающие преимущественно на растяжение и изгиб при статической нагрузке • фермы Работающие преимущественно на сжатие при статической нагрузке • колонны Вспомогательные конструкции • лестницы • фасонки ферм • балки перекрытий и покрытий • опорные плиты • элементы фахверка * При отсутствии сварных соединений группа понижается на одну ступень.

Выбор марки стали для конструкции (СНи. П II-23 -81*. Стальные конструкции) Сталь Расчётная температура в районе строительства и группа конструкций до – 40 °С 1 2 С 245 3 4 + С 235 С 255 до – 50 °С + + С 275 + 2 + + С 285 + + С 345 + + 4 1 2 3 + + + + + С 375 + + + + + С 390 + + + + + С 440 + + + + С 590 К 4 + + С 345 К 3 + + + 1 до – 65 °С Примечания см. в табл. 50* СНи. П II-23 -81*

Сортамент стальных профилей Сортамент – это каталог профилей с указанием формы сечения, геометрических характеристик и массы единицы длины. Стальные профили Фасонные касательная хотя бы в одной точке контура поперечного сечения это сечение пересекает I Двутавры обыкновенные и с параллельными гранями полок (балочные, широкополочные, колонные) [ Швеллеры L Уголки (равнополочные, неравнополочные) - Сталь толстолистовая (толщ. 4… 160 мм) Прокатные - Сталь тонколистовая (толщ. 0, 5… 4 мм) Листовые Гнутые - Сталь универсальная (толщ. 6… 60 мм) Стальной профилированный настил (профнастил) толщ. 0, 6… 1, 0 мм /¯_/¯_/¯ Уголки, швеллеры Сварные Круглые и прямоугольные трубы

Определение механических характеристик стали эксплуатируемых конструкций Динамический модуль упругости определяется по скорости прохождения ультразвука: Прибор Польди: 1– корпус, 2 – боёк, 3 – стальной шарик (D = 10 мм), 4 – эталонный брусок, 5 – испытываемая конструкция где l – база прозвучивания, мм; t – время прохождения ультразвука, мкс. Динамический модуль упругости Твёрдость испытываемой стали по Бринеллю: где – плотность материала, кг/м 3; k – коэффициент, учитывающий вид и условия где НВэ – твёрдость эталонного бруска в единицах Бринелля, кг/мм 2; D – диаметр стального шарика, D = 10 мм; dэ, d – диаметры отпечатков на эталоне и на конструкции, мм. Для малоуглеродистой стали u = 3, 53 НВ, МПа. распространения ультразвуковых волн; при поверхностном прозвучивании в стержневых элементах k = 1. Для стали

Лекция 4. Балочные конструкции. Общие соображения Балка является простейшим конструктивным элементом, работающим на изгиб. Область применения балочных конструкций: Перекрытия и покрытия промышленных и гражданских зданий пролётом до 18 м; Подкрановые балки и пути подвесного транспорта; Мосты, эстакады. Генеральные размеры балок – расчётный пролёт l и высота сечения h. Расчётный пролёт балки – это расстояние между центрами её опорных площадок. Высота сечения обычно составляет h = (1/8… 1/12)l. Чем выше нагрузка, тем меньше это отношение.

Балочные клетки Балочная клетка представляет собой систему балок, по которым передаётся нагрузка от перекрытия (покрытия). Обычный тип Усложнённый тип Передача нагрузки: Балка настила (2) Главная балка (1) Передача нагрузки: Балка настила (3) Вспомогательная балка (2) Главная балка (1)

Статические схемы балок Разрезные балки Неразрезные балки Эп. М Эп. прогибов Инвестиционные и страховые риски для статически неопределимых конструкций меньше, чем для статически определимых [+] Снижение расхода материалов [+] Удобство монтажа [−] Чувствительность к осадке опор

Типы сечений балок Для элемента, изгибаемого в одной плоскости, наиболее эффективным является двутавровое сечение, так как оно характеризуется наибольшим значением радиуса ядра сечения rx Неправильная установка Ядро сечения – это некоторая область вокруг центра тяжести сечения, внутри которой можно располагать точку приложения продольной силы, не вызывая в сечении напряжений разных знаков. Швеллерное сечение при плоском изгибе является менее эффективным вследствие несовпадение центра изгиба с центром тяжести сечения. Швеллер целесообразно применять в балках, работающих на косой изгиб (например, для прогонов скатных кровель).

Ядро сечения и центр изгиба Плоский изгиб (линия действия силы проходит через центр изгиба) Изгиб с кручением Сила приложена на границе ядра сечения

Прокатные и составные балки По способу изготовления балки могут быть прокатными и составными. (1) Прокатные балки (1) выполняются из прокатных профилей сортамента. Величина их пролёта ограничена расстоянием 6… 12 м. Составные балки применяются, когда в сортаменте не оказывается профиля, способного воспринять действующую нагрузку: (2) (3) (4) Сварные балки (2) из трёх листов, соединённых автоматической сваркой; Балки из элементов, соединённых болтами или заклёпками (3), применяются при действии значительных динамических нагрузок; Балки с перфорированной стенкой (4), применяются при больших пролётах и сравнительно невысоких нагрузках.

Балки с перфорированной стенкой получают в результате разреза прокатного двутавра ломаной линией в продольном направлении и последующей сваркой. линия разреза Сварка стыковым швом

Лекция 5. Расчёт на прочность при плоском изгибе Нормальные и касательные напряжения в произвольном сечении z: x x l q Условие прочности по приведённым напряжениям (reduced = приведённый) : z При = 0 (сечение с Mmax) : При = 0 (сечение с Qmax) : Wxn – момент сопротивления сечения нетто, см 3; Sx – статический момент полусечения, см 3; Jxn – момент инерции сечения нетто, см 4; tw – толщина стенки, см; Rs – расчётное сопротивление стали срезу, к. Н/см 2; Rs = 0, 58 Ry

Учёт развития пластических деформаций при расчёте на прочность при изгибе Линейно-упругая стадия При расчёте на прочность разрезных балок, несущих статическую нагрузку, допускается учитывать ограниченное развитие пластических деформаций (п. 5. 18* СНи. П II-23 -81*): < Ry Упругопластическая стадия Ry Ry Af a a < Ry Ry a Ry с – коэффициент, учитывающий развитие Aw Af пластических деформаций (по табл. 66 СНи. П); при отношении Af/Aw = 0, 5 значение с = 1, 12. l a q коэффициент, учитывающий развитие пластических деформаций Зона ограниченного развития пластических деформаций Mpl = c. Wx. Ry c lpl Mel = Wx. Ry c

Проверка прочности балок Проверка прочности Положение расчётного сечения в однопролётной балке Положение расчётной точки по высоте сечения в середине пролёта у наружных граней поясов (Mmax) ( max) По касательным напряжениям у опоры в середине высоты (Qmax) ( max) По приведённым напряжениям в месте изменения сечения в краевом участке стенки на уровне поясных швов По нормальным напряжениям (reduced = приведённый) Условие проверки с1 и 1, 15 – коэффициенты, учитывающие развитие пластических деформаций; для прокатных балок с1 = 1, 12; проверка по приведённым напряжениям производится только для составных балок.

Расчёт на прочность при срезе и смятии Q Смятие Срез Площадь среза P Q Смятие торцевой поверхности b h t Срез Площадь смятия t Условие прочности: Q – расчётное поперечное усилие, к. Н; ht – площадь среза, см 2. Условие прочности: P – расчётное усилие, к. Н; bt – площадь смятия, см 2; Rp – расчётное сопротивление смятию; Rp = Ru.

Лекция 6. Местные напряжения в стенках элементов колесо крана Местные напряжения в стенках балок и колонн возникают в местах приложения значительных сосредоточенных усилий – как активных (внешних нагрузок), так и и реактивных (опорных реакций). рельс loc Прочность стенок при действии местных напряжений должна быть проверена расчётом. Расчёт производить не требуется, если стенка в местах приложения сосредоточенной нагрузки укреплена поперечными рёбрами жёсткости. Если балка рассчитывается с учётом развития пластических деформаций, установка поперечных рёбер жёсткости в местах действия сосредоточенных нагрузок является обязательной (п. 5. 21 СНи. П). F V loc – местные напряжения (local = местный)

Расчёт на прочность при действии местных напряжений A поперечное ребро жёсткости Условие расчёта: b 45° lef F – расчётное усилие, к. Н; t – толщина стенки, см; lef – условная длина распределения местных напряжений, см: A-A опорная планка tf площадка смятия tw tf tw A сварная балка b – ширина опорной пластинки; tf – толщина верхнего пояса (в сварной балке) или расстояние от наружной грани полки до начала внутреннего закругления стенки (в прокатной балке). прокатная балка Способы снижения местных напряжений: Установка поперечных рёбер жёсткости; Увеличение ширины опорной планки. Увеличение толщины стенки не рекомендуется. tf

Конструктивные требования к поперечным рёбрам жёсткости (п. 7. 10 СНи. П II-23 -81*) Поперечные рёбра жёсткости воспринимают сосредоточенные усилия и равномерно распределяют их на всю толщину стенки. 60 Скос ребра жёсткости для пропуска поясных швов 40 При отсутствии поперечных рёбер жёсткости сосредоточенное усилие воспринимается лишь тонкой стенкой. hw bh ширина парного ребра ширина одностороннего ребра th толщина ребра

Проверка жёсткости балок (расчёт по прогибам) Прогиб балки f от действия нормативной нагрузки qn не должен превышать предельно допустимой величины fult, назначаемой по табл. 19 СНи. П 2. 01. 07 -85*. Нагрузки и воздействия: Для свободно опёртой балки, загруженной равномерно распределённой нагрузкой фактический прогиб Предельные прогибы конструкций назначаются по табл. 19 СНи. П 2. 01. 07 -85* исходя из конкретных эксплуатационных требований: • Технологических (обеспечение условий нормальной эксплуатации технологического оборудования); • Конструктивных (обеспечение целостности примыкающих друг к другу элементов); Предельные прогибы балок (по эстетико-психологичеким требованиям) Пролёт балки Предельный прогиб fu L ≤ 1 м L/120 • Физиологических (предотвращение ощущений дискомфорта при колебаниях); L=3 м L/150 L=6 м L/200 • Эстетико-психологических (обеспечение благоприятного впечатления о безопасности конструкции). L = 24 м L/250 L = 36 м L/300

Лекция 7. Расчёт на общую устойчивость Потеря общей устойчивости характеризуется изменением первоначальной формы деформирования всей конструкции под действием сжимающей нагрузки. Условие устойчивости при осевом сжатии: К. С. Р. С. N N N – расчётное продольное усилие, к. Н; – коэффициент продольного изгиба; определяется по табл. 72* СНи. П II -23 -81* (или по графику ) в зависимости от максимальной гибкости стержня lef условная гибкость : y Чем больше гибкость , тем меньше коэффициент и меньшую нагрузку может выдержать сжатый элемент. lef – расчётная длина стержня, см; i – радиус инерции сечения, см. x x y Потеря устойчивости происходит относительно оси с наибольшей гибкостью, при этом стержень искривляется в направлении, перпендикулярном этой оси.

Расчётная длина сжатого стержня Р. С. Расчётная длина стержня – это эквивалентная из условия устойчивости длина шарнирно опёртого стержня той же жёсткости. Геометрически расчётная длина определяется как расстояние между точками перегиба изогнутой оси стержня. К. С. N H lef Методика расчёта стержней на устойчивость с использованием коэффициента расчётной длины была предложена проф. Ясинским Ф. С. в 1894 году. y x x lef = · H - коэффициент расчётной длины y

Влияние прочности стали на устойчивость Повлияет ли изменение марки стали на сопротивление потере устойчивости? Если повышение прочности стали не повышает сопротивление потере устойчивости, то почему же коэффициент зависит от расчётного сопротивления Ry и повышается с его увеличением? коэффициент выражает снижение критического напряжения cr по отношению к расчётному сопротивлению стали Ry.

Потеря местной устойчивости стенки и полок Изменение первоначальной формы отдельного элемента конструкции при сохранении формы всей конструкции называется потерей местной устойчивости. Балка N Колонна Местная устойчивость стенки и полок фасонного проката (двутавр, швеллер и пр. ) не требует проверки, так как она учтена при разработке сортамента. стенка пояс (полка)

Проверка местной устойчивости элементов Способы обеспечения местной устойчивости полки: 1) Уменьшение Общий вид условия обеспечения местной устойчивости полки: bef tf bef 2) Увеличение tf Способы обеспечения местной устойчивости стенки: 1) Установка поперечных и продольных рёбер жёсткости 2) [-] увеличение tw bef – ширина свеса полки, см; tf – толщина полки, см; uf – предельная условная гибкость полки по СНи. П II-23 -81*. Общий вид условия обеспечения местной устойчивости стенки: hw tw hw – высота стенки, см; tw – толщина стенки, см; uw – предельная условная гибкость стенки по СНи. П II-23 -81*.

Лекция 8. Проверка общей устойчивости балок Условие проверки общей устойчивости балок: Консольная балка Wc – момент сопротивления для крайнего сжатого волокна; b – коэффициент снижения расчётного сопротивления при проверке общей устойчивости балок ( b 0, 85). Нагрузка, приложенная к верхнему поясу балки, увеличивает закручивание за счёт возникающего эксцентриситета; Нагрузка, приложенная к нижнему поясу, стремится вернуть балку в исходное положение. Свободно опёртая балка

Проверка общей устойчивости балок Общую устойчивость балок проверять не требуется: • Если нагрузка передаётся через сплошной жёсткий настил, непрерывно опирающийся на сжатый пояс балки и надёжно с ним связанный (сваркой); • Если отношение расчётной длины балки lef к ширине сжатого пояса bf не превышает установленных нормами предельных значений: Расчётная длина балки lef – это расстояние между точками сжатого пояса, надёжно закреплёнными от смещения в поперечном направлении. l ef= l l ef bf

Повышение местной устойчивости стенок составных балок установкой рёбер жёсткости bf tf главные сжимающие напряжения 0, 6 hw потеря местной устойчивости стенки от совместного действия и hw max сж. tw h hw bef hw раст. max tf совместная потеря местной устойчивости полки и стенки от действия 60 0, 7 h tr поперечные рёбра жёсткости a 2 hw 40 br продольные рёбра жёсткости

Обеспечение местной устойчивости элементов составных балок bef Местная устойчивость полки балки обеспечена, если выполняется условие: tf Стенку балки необходимо укреплять поперечными рёбрами жёсткости, если условная гибкость стенки w > 3, 2 (п. 7. 10 СНи. П II-23 -81*); Условная гибкость: Местная устойчивость стенки, укреплённой рёбрами жёсткости, обеспечена, если w 3, 5 (п. 7. 3 СНи. П II-23 -81*), иначе необходимо выполнить расчётную проверку. устойчивая область Условие проверки местной устойчивости стенки: 1 r , – напряжения, действующие в расчётной точке; cr, cr – критические напряжения, зависящие от расчётных сопротивлений материала, размеров отсека и толщины стенки. 1

Лекция 9. Колонны Конструктивная схема Расчётная схема Три основных элемента колонны – оголовок, стержень и база. оголовок стержень колонны база фундамент lef – расчётная длина колонны

Центрально- и внецентренно сжатые колонны В центрально-сжатых колоннах сжимающее усилие приложено в центре тяжести сечения (или по оси стержня, поскольку ось – это линия, соединяющая центры тяжести сечений). Центральное сжатие Во внецентренно сжатых колоннах сжимающее усилие приложено с эксцентриситетом е. Внецентренное приложение усилия N эквивалентно совместному действию центрально приложенного усилия N и изгибающего момента M = N·e Внецентренное сжатие Сечение развивается в плоскости изгиба e – эксцентриситет – расстояние между осью стержня и линией действия силы N

Колонны сплошного сечения Сплошные сечения эффективны при нагрузке N ≥ 4000 к. Н Сечения открытого профиля: Двутавровое Крестовое ix = 0, 42 h iy = 0, 24 b ix = iy = 0, 29 h Из двух швеллеров Из двух двутавров Сечения замкнутого профиля: dср – диаметр средней линии кольца Из двух швеллеров Кольцевое ix = iy = 0, 35 dср Трубчатое

Условие равноустойчивости при центральном сжатии констр. сх. Для обеспечения рационального расхода материала расч. сх. N N необходимо соблюдать условие равноустойчивости, которое выражается в форме равенства гибкостей относительно возможных осей потери устойчивости: lef, y y x x y При выполнении условия равноустойчивости стержень колонны будет оказывать одинаковое сопротивление потере устойчивости в обоих возможных направлениях. Если условие не выполняется, создаются избыточные запасы устойчивости. Потеря устойчивости происходит относительно оси с наибольшей гибкостью, при этом стержень искривляется в направлении, перпендикулярном этой оси.

Эффективность различных типов сечений Если расчётные длины центрально-сжатой колонны равны (lx = ly), то наиболее эффективным для неё является сечение с наибольшим радиусом инерции ix = iy = 0, 35 dср (imax), одинаковым по всем направлениям (ix = iy). Из сплошных сечений указанным требованиям в наибольшей степени отвечает кольцевое сечение. ix = iy = 0, 29 h На втором месте – крестовое сечение. Двутавровое сечение будет соответствовать условию равноустойчивости, если b = 2 h. В обычном двутавре (b = h/2) и «колонном» двутавре (b h) потеря устойчивости произойдёт относительно оси у. В сквозных колоннах условие равноустойчивости обеспечивается за счёт изменения расстояния между ветвями. Это позволяет повысить радиус инерции сечения при сохранении той же площади. ix = 0, 42 h iy = 0, 24 b

Лекция 10. Колонны сквозного сечения Сквозные сечения эффективны при нагрузке N < 4000 к. Н Колонны сквозного сечения состоят из двух ветвей, соединённых решёткой. При N < 1500 к. Н При N = 1500… 2500 к. Н При N = 2500… 4000 к. Н ix = iy = 0, 43 h ix = 0, 38 h iy = 0, 44 b ix = 0, 42 h iy = 0, 50 b Материальная ось Из-за большого числа коротких швов эти колонны оказываются более трудоёмкими, чем сплошные. Ветви Решётка Трубчатое Собственная ось ветви Свободная ось Сечение из двух двутавров применяется, когда в сортаменте уже нет подходящих швеллеров, способных воспринять действующую нагрузку.

Типы решёток сквозных колонн Решётка из планок лучше выглядит, однако раскосные решётки менее деформативные. При конструировании решёток желательно обеспечивать оптимальные углы наклона раскосов. Безраскосная (из планок) применяется при N ≤ 2500 к. Н Раскосная треугольная Раскосная с распорками min 150 мм для возможности окраски 35° max 1000 мм 45°

Диафрагмы жёсткости в сквозных колоннах Для обеспечения пространственной жёсткости сквозные колонны укрепляют поперечными диафрагмами, которые необходимо устанавливать через каждые 3… 4 м длины. Центрирование уголков в крестовой решётке допускается осуществлять по наружной грани ветви. диафрагма

Общая схема подбора и проверки сечения сплошных и сквозных колонн Задаём оптимальную гибкость: для сплошных сечений opt = 50… 100; для сквозных сечений opt = 40… 90. Чем больше нагрузка N, тем мощнее должно быть сечение, и поэтому меньше назначается оптимальная гибкость opt. Осуществляем проверку устойчивости: Находим коэффициент по табл. 72* СНи. П II-23 -81* Определяем требуемые характеристики сечения: Находим коэффициент по табл. 72* СНи. П II-23 -81* Находим фактические гибкости относительно возможных осей потери устойчивости: Подбираем по сортаменту прокатной профиль или осуществляем компоновку составного сечения

Компоновка сечения сплошных колонн Прокатное сечение. Подбираем по сортаменту «колонный» широкополочный двутавр (тип К) по параметрам A и iy. Составное сечение. Ширину сечения b находим из условия обеспечения требуемого радиуса инерции сечения iy: Высоту сечения h принимаем из конструктивных ix = 0, 42 h iy = 0, 24 b соображений, а толщину стенки tw и полок tf – из условий обеспечения требуемой площади А и местной устойчивости. При равенстве расчётных длин определяющей будет проверка устойчивости относительно оси у.

Компоновка сечения сквозных колонн Подбор профиля производится из условия устойчивости относительно материальной оси х-х. Подбираем по Материальная ось y 1 сортаменту подходящий профиль по параметрам A и iy. Расстояние между узлами решётки назначается из условия устойчивости ветви относительно собственной оси у1 -у1: y 1 где 1 – оптимальная гибкость ветви (для решётки из планок не более 30, для раскосной решётки не более 80). Ширина сечения b определяется из условия равноустойчивости стержня колонны относительно осей х- Собственная ось ветви Свободная ось ix = 0, 38 h iy = 0, 44 b х и у-у: Определяющей будет проверка устойчивости относительно оси с наибольшей гибкостью.

Потеря устойчивости сквозных колонн (1) – потеря устойчивости относительно материальной оси (2) – потеря устойчивости ветви на участке между узлами решётки lef, x lef, y (3) – потеря устойчивости относительно свободной оси Соответственно выполняются три проверки устойчивости. lef, y 1

Особенность проверки устойчивости сквозных колонн В сквозной колонне из-за деформативности решётки гибкость относительно свободной оси будет больше, чем у для решетки из планок аналогичной сплошной колонны при тех же lef, y и iy. Поэтому в расчёте используется приведённая гибкость ef, y, определяемая по формулам табл. 7 СНи. П в зависимости от типа решётки. для раскосной решётки y – физическая гибкость стержня условно-сплошного сечения; 1 – гибкость ветви на участке между узлами решётки; A – площадь сечения; Ad – площадь сечения раскосов; - коэффициент. Условие равноустойчивости принимает вид:

Лекция 11. Болтовые соединения. Общие соображения Болтовые соединения, в отличие от сварных, имеют более простую технологию выполнения и поэтому широко применяются при монтаже. Монтажные болты устанавливаются примерно в 2 раза быстрее, чем производится сварка. Болтовое соединение является разъёмным. Однако болтовые соединения по сравнению со сварными являются более металлоёмкими и весьма деформативными. Последний недостаток устраняется применением фрикционных соединений на высокопрочных болтах. В строительстве применяются: Обычные болты с гайкой и шайбой; Фундаментные (анкерные) болты; Самонарезающие болты.

Условные обозначения Постоянные болты в заводских и монтажных соединениях Временные болты в монтажных соединениях Высокопрочные болты Висячий мост в Крылатском Аутригерные конструкции башни «Федерация»

Классы точности болтов В зависимости от требований к точности диаметра болтов различают три класса точности (А, B, C): Класс точности болтов Характеристика Допуск на отклонение диаметра болта от номинального А Болты повышенной точности – 0, 3 мм В Болты нормальной точности 0, 52 мм С Болты грубой точности 1, 0 мм В зависимости от требований к точности диаметра отверстий различают «чистые» и «чёрные» болты: в соединениях на болтах классов точности В и С диаметр отверстия превышает диаметр болта на 2… 3 мм (в отдельных случаях – на 3… 5 мм), что позволяет просверливать отверстия в каждой детали в отдельности – это «чёрные» болты; в соединениях на болтах класса точности А диаметр отверстия не должен превышать диаметр болта более чем на 0, 3 мм (такие отверстия получают, например, сверлением их на проектный диаметр в собранных элементах) – это «чистые» болты; раньше они использовались в особо ответственных соединениях, а сейчас из-за трудоёмкости установки их применяют редко, более эффективными являются высокопрочные болты.

Классы прочности болтов В зависимости от прочностных характеристик болты делят на классы прочности: Характеристика Болты обычной прочности Высокопрочные болты Применяемая сталь малоуглеродистая низколегированная Классы прочности болтов 4. 6; 4. 8; 5. 6; 5. 8; 6. 6; 8. 8 10. 9; 12. 9 5. 8 (классы прочности записываются через точку) первое число, умноженное на 100, равно временному сопротивлению, МПа; произведение чисел, умноженное на 10, равно пределу текучести, МПа. Наиболее широко применяют болты классов прочности 5. 8 и 5. 6 диаметром 16, 20, 24 мм.

Виды болтовых соединений Наиболее широкое распространение получили следующие виды болтовых соединений: Срезные соединения - воспринимают внешние усилия вследствие сопротивления болтов срезу и соединяемых элементов смятию, вследствие чего обладают повышенной деформативностью. Фрикционные соединения (сдвигоустойчивые соединения на высокопрочных болтах) -воспринимают внешние усилия вследствие сопротивления сил трения, возникающих по контактным плоскостям соединяемых элементов от предварительного натяжения болтов. Усилия натяжения контролируют, а соединяемые поверхности подвергают обработке. Фрикционно-срезные соединения (комбинированные). Фланцевые соединения - воспринимают внешние усилия вследствие сопротивления болтов растяжению; здесь несущая способность болтов используется наиболее полно.

Работа болтового соединения на срез и смятие Двухсрезное соединение Срез болта Односрезное соединение Смятие поверхности отверстия

Расчёт болтового соединения на срез и смятие Расчётное усилие, воспринимаемое одним болтом при его работе на срез: Rbs – расчётное сопротивление болта срезу (по табл. 58* СНи. П); b – коэффициент условий работы болтового соединения (по табл. 35* СНи. П); неравномерность работы многоболтового соединения учитывается коэффициентом b = 0, 9; Ab – площадь сечения болта (по табл. 62* СНи. П); ns – расчётное число срезов болта. Расчётное усилие, воспринимаемое одним болтом при работе поверхности отверстия на смятие: Rbp – расчётное сопротивление смятию соединяемых элементов (по табл. 59* СНи. П); db – диаметр болта; tmin – наименьшая суммарная толщина элементов, сминаемых в одном направлении. Необходимое число болтов в соединении : где

Расчёт болтового соединения на растяжение Расчётное усилие, воспринимаемое одним болтом при его работе на растяжение: Rbt – расчётное сопротивление болта растяжению (по табл. 58* Abn – площадь сечения нетто болта (по табл. 62* СНи. П); Фланец

Расчёт фрикционного соединения на высокопрочных болтах Расчётное усилие, воспринимаемое одной поверхностью трения соединяемых элементов: Rbh – расчётное сопротивление высокопрочного болта растяжению; Rbh = 0, 7 Rbun (Rbun – наименьшее временное сопротивление разрыву, определяется по табл. 61* СНи. П); b – коэффициент условий работы болтового соединения, зависящий от количества болтов 11. 13* СНи. П); Abn – площадь сечения нетто болта (по табл. 62* СНи. П); - коэффициент трения, зависящий от качества обработки поверхностей (по табл. 36* СНи. П); h – коэффициент надёжности, зависящий от вида нагрузки (статическая или динамическая), разности номинальных диаметров отверстий и болтов (1… 6 мм), способа регулирования натяжения. Необходимое число болтов в соединении : nf – количество поверхностей трения соединяемых элементов. Контролируемое усилие натяжения болта : (п.

Конструктивные требования к размещению болтов s 2 Размещение болтов осуществляется в соответствии с конструктивными требованиями (табл. 39 СНи. П). s 1 s 2 s 1 8 db tmin s 1 2, 5 db s 1 12 tmin s 2 2 db db s 2 4 db s 2 8 tmin Минимальные расстояния между центрами отверстий болтов назначаются из условия прочности материала соединяемых элементов. Максимальные расстояния между центрами отверстий болтов назначаются - при сжатии – из условия устойчивости соединяемых элементов на участке между болтами; - при растяжении – из условия обеспечения плотного соединения элементов во избежание попадания в зазоры влаги и пыли, способствующих коррозии.

Конструктивные требования к размещению болтов Болты размещают в рядовом или шахматном порядке. Линии, проходящие по центрам болтов, называют рисками. Расстояния между рисками вдоль усилия называют шагом, а поперёк – дорожкой. Рядовое размещение Шахматное размещение Шаг Риски Дорожка

Конструктивные требования к размещению болтов Дефекты, возникшие вследствие несоблюдения требований по размещению болтов Размещение болтов по рискам Накладки должны быть двухсторонними Преимущества шахматного размещения

Лекция 12. Сварные соединения. Общие соображения Сварка – технологический процесс получения неразъёмного соединения путём установления межатомных связей между соединяемыми элементами при их нагреве и/или пластическом деформировании. Виды сварки • Электродуговая (с 1881) • Контактная (с 1881) Известно более 60 видов сварки. В строительстве наибольшее распространение получила электродуговая сварка. [+] Сварные соединения обладают высокой • Газовая (с 1895) • Плазменная (после 1926) • Электрошлаковая (с 1949) прочностью и достаточно экономичны; водои газонепроницаемы; им легко придавать любую форму. • Электронно-лучевая (с 1950) [–] При сварке происходит снижение • Сварка взрывом прочности исходного материала, возникают сварочные напряжения и деформации, появляется концентрация напряжений. • Диффузионная (с 1953) • Лазерная (после 1960) • Кузнечная

Газовая (ацетиленокислородная) сварка Источником тепла при газовой сварке является высокотемпературное пламя, образующееся при сжигании смеси ацетилена и кислорода. [–] Газовая сварка уступает электродуговой по прочности, производительности и экономичности. Газовая сварка на монтаже вызывает большое количество дефектов (пор, шлаковых включений, непроваров); чувствительна к низким температурам, ветру, атмосферным осадкам. Из-за сильного перегрева металла появляются значительные сварочные деформации. Левая сварка до 5 мм Правая сварка [+] Газовая сварка находит рациональное применение при соединении листов толщиной до 1, 5 мм (например, при монтаже сантехнических трубопроводов). Газовое пламя применяют при пайке, термической обработке металла, очистке от ржавчины. Оптимальные углы наклона

Электродуговая сварка основана на возникновении электрической дуги между электродом и свариваемыми деталями. Дуга создаёт температуру более 1500°С, что приводит к расплавлению основного металла и металла электрода. В результате в зоне контакта образуется сварной шов. Назначение обмазки электрода. При плавлении электрода обмазка создаёт шлаки и газы, защищающие шов от окисления и быстрого охлаждения, улучшающие механические свойства шва и стабилизирующие горение дуги. электрод держатель источник тока обмазка 15° вертикаль зажим шов свариваемые элементы Наиболее широко используются электроды с рутиловым покрытием (напр. , ОЗС-4). Электрододержатель пассатижного типа эл. дуга

Виды электродуговой сварки Ручная • Наименее качественная; • Осуществляется электродами с обмазкой (d = 2… 8 мм); • Используется для монтажных швов. Автоматическая • Наиболее качественная; • Осуществляется сварочной проволокой без обмазки (d = 1… 6 мм), защита шва осуществляется слоем сыпучего материала – флюса (гранулированного шлака); • Применяется для заводских швов большой длины. Полуавтоматическая (механизированная) • Сварка происходит под флюсом или в среде углекислого газа; подача сварочной проволоки (d = 0, 5… 3 мм) и газа осуществляется автоматически, а перемещение аппарата вдоль шва – вручную; • Применяется при малой длине шва, а также в местах, недоступных для автоматического сварочного аппарата.

Газоэлектрическая и электрошлаковая сварка Газоэлектрическая сварка Дуговую сварку в среде углекислого газа применяют для малоуглеродистых сталей. Благодаря высокой температуре газа, нагретого дугой, шов получается плотным и с большой глубиной провара. Аргоно-дуговую сварку применяют для высоколегированных нержавеющих и жаропрочных сталей, а также элементов из алюминиевых сплавов. Используется неплавящийся вольфрамовый электрод и присадочная проволока. Электрошлаковая (бездуговая) сварка применяется для стыкования вертикальных листов большой толщины (24… 300 мм). Вследствие тока большой силы (до 3000 А) электрическая дуга вызывает плавление флюса, в результате дуга гасится, а сам флюс становится проводником электричества от сварочной проволоки к свариваемым элементам. Электрошлаковая сварка

Параметры режима электродуговой сварки Контролируемые параметры режима сварки Качество, геометрическая форма и размеры сварного шва зависят от условий проведения сварки. Наиболее качественная сварка получается при нижнем положении шва и шве «в лодочку» . Параметры режима сварки Вид сварки Ручная Полуавт. Автом. Диаметр электрода или проволоки + + + Род тока (постоянный, переменный) + + + Полярность (прямая, обратная) + + + Величина сварочного тока + + + Напряжение дуги Скорость сварки + Вылет электрода + Расход газа + Скорость подачи проволоки + Положение сварных швов в пространстве • • • Нижнее Вертикальное Потолочное Горизонтальное «В лодочку» +

Выбор сварочных материалов Фрагмент табл. 55* и 56 СНи. П II-23 -81* Марка стали Сварочные материалы (при t до -40°С) ручная сварка полуавтоматическая сварка тип электрода марка сварочной проволоки марка флюса Св-08 Г 2 С (215) АН-348 -А Сталь обычной прочности С 245 С 255 С 275 Э 42 (180) Э 46 (200) Св-08 А (180) Св-08 ГА (200) Сталь повышенной и высокой прочности С 345 Э 50 (215) автоматическая сварка Св-10 НМА (240) С 375 С 390 серы и фосфора не более 0, 03% В скобках указано расчётное сопротивление металла шва Rwf, МПа Нормативное сопротивление основного металла 375 МПа (38 0, 08% углерод кг/мм 2) Нормативное сопротивление металла шва 490 МПа (50 кг/мм 2) 2% марганец 1% кремний Прочность шва должна несколько превышать прочность основного металла, поэтому в нормах проектирования рекомендуются сварочные материалы для каждой группы марок стали.

Лекция 13. Виды сварных швов и условные обозначения • Стыковые и угловые Виды сварных швов • Заводские и монтажные • Рабочие (расчётные) и связующие (конструктивные) • Нормальные, выпуклые и вогнутые Выполняются на строительной площадке Заводские швы • Непрерывные и прерывистые Выполняются на заводеизготовителе Монтажные швы • Однослойные и многослойные Торцы деталей приставляют один к другому встык и сваривают Шов наплавляется в угол, образуемый свариваемыми элементами Стыковые швы Угловые швы

Виды сварных соединений Фланговые швы расположены параллельно действующему усилию Стыковое Угловое Тавровое Нахлёсточное Лобовые швы расположены перпендикулярно действующему усилию

Виды сварных соединений Стыковое Соединение внахлёстку с накладками Фланговые швы расположены параллельно действующему усилию Лобовые швы расположены перпендикулярно действующему усилию Соединение внахлёстку без накладок

Сварочные деформации (а) Деформации листа от продольной и поперечной усадки шва; (б) Деформации при сварке стыковых соединений; (в) Деформации при сварке нахлёсточных соединений; (г) Серповидность тавровой балки; (д) Грибовидность полок двутавра; (з) Винтообразность балки коробчатого сечения при сварке поясных швов в противоположных направлениях; (ж) Излом двутавра при сварке сверху вниз; (е) Серповидность двутавра при несимметричной приварке рёбер жёсткости; (и) Местные деформации в тонкой стенке – «хлопуны» ; (к) Деформации при сварке труб.

Мероприятия по уменьшению сварочных деформаций (а) Жёсткое закрепление свариваемых пластин; (б) Особая схема сборки листов перед сваркой; (в) Выгиб полок перед сваркой; (г) Последовательность выполнения сварных швов в несимметричном двутавре; (д) то же, в симметричном двутавре; (е) Последовательность выполнения швов обратноступенчатым методом; (ж) Проковка поясного шва; (з) Прокатка стыковых швов; (и) Термическая правка; (к) Механическая правка; (л) Проковка швов при многослойной сварке.

Порядок выполнения сварных швов ручной сваркой Способы выполнения сварных швов по длине до 30 см (а) на проход; (б) от середины к концам; (в) обратноступенчатый способ. до 1 м свыше 1 м Последовательность сварки монтажного стыка двутавра (1) Стыковой шов в стенке; (2), (3) Стыковые швы в полках; (4), (5) Угловые поясные швы (эти участки оставлены не заваренными на заводе).

Технология автоматической сварки Сварка без полного провара Сварка с полным проваром Сварка без разделки кромок Сварка с разделкой кромок Автоматическая сварка (а) самоходной сварочной головкой; (б) подвесной сварочной головкой; (в) сварочным трактором. Отправка Сборка двутаврового элемента по разметке Правка Сварка Сборка Заготовка Поточная комплексно-механизированная линия для изготовления двутавровых балок

Технологические планки и прихватки Варианты технологических планок Горячие трещины (а) Трещина в замыкающем шве из-за неправильной последовательности сварки; (б) Трещина в начале шва из-за крепления технологической планки одной прихваткой. 1 2 3 4 Правильная последовательность Прихватки

Обработка кромок элементов и способы удержания сварочной ванны Способы удержания сварочной ванны (а) при помощи остающейся стальной подкладки; (б) при помощи съёмной медной подкладки; (в) при помощи флюсовой подушки; (г) при помощи флюсомедной подкладки; (д) при помощи подварочного шва. Обработка кромок стыковых швов

Силовые потоки в стыковых и угловых швах. Концентрация напряжений

Лекция 14. Расчёт угловых швов cos 45° = 0, 7 Угловые швы рассчитываются на срез. Предполагается, что разрушение шва может произойти по одному из двух сечений: 1 – по металлу шва; 2 – по металлу границы сплавления сварного шва с основным металлом. Корень шва kf - катет шва; f, z – коэффициенты глубины проплавления шва; при ручной сварке f = 0, 7; z = 1, 0 (табл. 34* СНи. П II-23 -81*).

Расчёт угловых швов Условия расчёта: 1 – по металлу шва: 2 – по металлу границы сплавления: n – число швов; Rwf , Rwz – расчётные сопротивления; Rwf – по табл. 56 СНи. П; Rwz = 0, 45 Run ; wf , wz – коэффициенты условий работы сварного соединения при низких температурах (при t до -40°С равны 1, 00); lw – расчётная длина шва, принимается меньше фактической на 10 мм из-за снижения качества сварки на концах шва.

Конструктивные требования к угловым швам Минимальная расчётная длина шва: lw 4 kf ; lw 40 мм Минимальный катет шва kf, min определяется по табл. 38* СНи. П в зависимости от наибольшей толщины соединяемых элементов tmax Максимальная расчётная длина фланговых швов: Максимальный катет шва: lw 85 f kf kf, max = 1, 2 tmin , (так как усилия по длине фланговых швов распределены неравномерно) tmin – наименьшая из толщин соединяемых элементов Из двух швов с одинаковой несущей способностью более экономичным является шов с меньшим катетом и большей длиной. kf kf tmin kf 1, 2 tmin kf kf tmin

Расчёт стыковых швов Если для сварки выбраны материалы (электроды, проволока) в соответствии с требованиями СНи. П, то стыковые швы принимаются: - при сжатии – равнопрочными основному металлу (расчётное b сопротивление шва N N Rwy = Ry) и не рассчитываются; - при растяжении – имеющими прочность, на 15% меньшую прочности основного металла (Rwy t N N b N N = 0, 85 Ry). Условие расчёта: lw – расчётная длина шва; при выводе концов шва на технологические планки lw = b, иначе lw = b – 2 t. Швы можно не рассчитывать, если - осуществляется контроль их качества физическими методами (например, ультразвуковым) – для заводских швов; 2 1 b/2 - шов выполняется с уклоном не менее 2: 1, что увеличивает его расчётную длину – для монтажных швов.

Конструктивные требования к стыковым швам • Скос с уклоном не более 1: 5 при соединении листов разной толщины; b N N t N N b N N 2 1 b/2 • Вывод концов шва на технологические планки; • Разделка кромок, подварка корня шва.

Дефекты сварных швов Дефекты из-за необработанной кромки угловых швов Обработка кромок Дефекты стыковых швов Применение растянутого стыка через поперечную прокладку не рекомендуется (в сжатых стыках это возможно)

Дефекты сварных швов

Дефекты сварных швов

Лекция 15. Сопряжение балок с колоннами Опирание сверху Примыкание сбоку Шарнирное Жёсткое Передаёт только вертикальную опорную реакцию Передаёт вертикальную опорную реакцию и изгибающий момент F=M/h h M F

Сопряжение балок с колоннами: опирание сверху Монтажные болты 1 10 Опорное ребро Монтажные болты 1 1 -1 20 20 20 Торец строгать 1 1 -1 1 Рёбра жёсткости в местах передачи опорных реакций Вариант 1 Вариант 2

Сопряжение балок с колонной: примыкание сбоку Жёсткое Болты, рассчитанные на растяжение Шарнирное А-А А Рёбра жёсткости Монтажные болты Усилия в болтах М Опорный фланец из толстого листа, рассчитанный на изгиб Диаметр отверстия на 3… 4 мм больше диаметра болта, чтобы болты не могли воспринимать опорную реакцию и работать на срез в случае неплотного опирания фланца на опорный столик 10 -20 мм Торцы строгать Опорный столик 30 -40 мм А 20 -30 мм 10 -16 мм Сварные швы, рассчитанные на восприятие опорной реакции Опорный фланец из гибкого листа, рассчитан только на смятие торцевой поверхности

Сопряжение балок с колонной: примыкание сбоку Жёсткое F = M/h h Монтажные болты М F Ребро жёсткости Торцы строгать Опорный столик толщ. 20 -30 мм Сварные швы, рассчитанные на действие усилия F «Рыбка» min 50 мм

Сопряжение балок с колонной: примыкание сбоку Жёсткое Шарнирное А-А А Сварные швы, рассчитанные на действие усилия F 10 -15 мм F = M/h h М F Монтажный болт Сварные швы, рассчитанные на восприятие вертикальной опорной реакции Верхняя «рыбка» Нижняя «рыбка» А Монтажный болт, диаметр отверстия на 3… 4 мм больше диаметра болта Опорный столик

Сопряжение балок с колонной: примыкание сбоку Жёсткое [+] Предотвращение поворота балки закреплением стенок М [+] Сварные швы, рассчитанные на восприятие только вертикальной опорной реакции [+] Монтажные болты, удерживающие балку в проектном положении при выполнении сварных швов «Полужёсткое» [-] Предотвращение поворота балки только закреплением стенки М [-] Образование трещин в швах [-] Отсутствие монтажных болтов

Сопряжение ригеля с колонной Жёсткое Шарнирное P M P=M/h В чём здесь ошибка? «Рыбка» Монтажный болт

Сопряжение балок с колоннами: опирание сверху

Сопряжение балок с колоннами: примыкание сбоку

Сопряжение балок между собой Этажное В одном уровне Пониженное Используется в балочной клетке усложнённого типа

Стыки балок

Лекция 16. Расчет и конструирование базы колонны. Общие соображения Назначение базы колонны: 1 – Распределение нагрузки от колонны по площади фундамента; 2 – Закрепление нижнего конца колонны в соответствии с принятой расчётной схемой (шарнирное или жёсткое). Обязательный элемент базы – опорная плита. Наиболее простая конструкция базы получается, когда колонна опирается непосредственно на опорную плиту. Для равномерности передачи давления торец колонны фрезеруют. База с фрезерованным торцом колонны реактивный отпор фундамента База с консольными рёбрами База с траверсами Однако в этом случае плиту приходится выполнять достаточно большой толщины, иначе она будет отгибаться. Чтобы уменьшить толщину плиты, предусматривают передачу нагрузки от колонны на плиту через консольные рёбра или траверсы. траверса

База с фрезерованным торцом колонны Базы с фрезерованным торцом эффективны при безвыверочном методе монтажа колонн. Сначала на фундамент устанавливают опорную плиту, которую приводят в проектное положение с помощью установочных болтов. Между плитой и фундаментом оставляют зазор 50… 70 мм, который затем заполняют цементнопесчаным раствором. Окончательно плиту цем. - песч. раствор опорная плита закрепляют анкерными болтами. На плиту по рискам устанавливают колонну с фрезерованным торцом. Благодаря высокой точности фрезеровки колонна сразу, без выверки занимает своё проектное положение, в котором её закрепляют монтажными швами. Катет монтажных швов назначается минимальным, а усилия передаются непосредственным контактом поверхностей. анкерные болты установочные болты

База с консольными рёбрами Колонну можно устанавливать и в собранном виде на заранее выверенные опорные детали с последующей подливкой цементным раствором. В проектном положении колонну закрепляют анкерными болтами. Для возможности перемещения колонны в процессе установки диаметр отверстий под анкерные болты принимают в 1, 5. . . 2 раза больше диаметра анкеров. На анкерные болты надевают шайбы с отверстием, которое на 3 мм больше диаметра болта, а после натяжения болта шайбу привают к опорной плите.

Шарнирные и жёсткие базы Шарнирные базы допускают некоторый поворот колонны относительно фундамента, который возможен благодаря гибкости опорной плиты. Если увеличить толщину опорной плиты до 30… 40 мм, надёжно укрепить её от изгиба консольными рёбрами, и затянуть анкерные болты (не менее 4 -х болтов) контролируемым усилием, то получим жёсткую базу. 50… 70 Однако это решение возможно только при сравнительно небольших изгибающих моментах. При действии значительных моментов анкерные болты крепятся к выносным консолям траверс и затягиваются с напряжением, близким к расчётному сопротивлению (см. далее). Диаметр анкерных болтов в шарнирных базах назначается конструктивно (d = 20… 30 мм), а в жёстких – из расчёта на действие растягивающих усилий, стремящихся оторвать колонну от фундамента (обычно принимается d = 24… 36 мм). База с консольными рёбрами

Базы с траверсами Шарнирная Жёсткая N N M Fa Fa = M / h реактивный отпор фундамента h

Определение размеров опорной плиты в плане Площадь опорной плиты назначается из условия сопротивления бетона фундамента местному сжатию: Rb – расчётное сопротивление бетона фундамента осевому сжатию; b – коэффициент, учитывающий повышение прочности бетона за счёт включения в работу ненагруженной части фундамента. Размеры опорной плиты в плане назначаются исходя из её требуемой площади, а также обеспечения необходимой величины её свесов, min 50 которые должны составлять не менее 50 мм. Окончательно размеры опорной плиты принимаются кратными 10 мм. кратно 10 мм

Определение толщины опорной плиты Толщина опорной плиты назначается из условия её работы на изгиб под действием реактивного отпора фундамента. Изгибающие моменты определяются для отдельных участков плиты, окончательно для расчёта принимается наибольшее значение: M = max {M 1; M 2; M 3}. расчётная полоса шириной 1 см (1) – консольный свес (2) – опирание по трём сторонам (3) – опирание по контуру Требуемая толщина плиты*: Окончательно толщина плиты принимается на 2… 3 мм больше требуемой по расчёту (для последующей фрезеровки). * W 0 – момент сопротивления плиты толщиной t 0 и шириной 1 см.

Расчёт траверсы и анкерных болтов Размеры траверсы назначается конструктивно (толщина ttr = 10… 14 мм; высота htr = 40… 60 мм). Требуемая площадь сечения анкерных болтов: Требуемая величина катета сварных швов крепления траверсы к колонне: Fa – усилие в анкерных болтах; где 4 – число швов; расчётная длина шва Rba – расчётное сопротивление lw = htr – 10 мм; (Rw w)min = min {Rwf wf ; Rwz wz}. анкерных болтов; n – число анкерных болтов с одной стороны колонны (1 или 2).

Расчёт на прочность при осевом растяжении N Условие прочности: – нормальные напряжения; к. Н/см 2; N – расчётное продольное усилие, к. Н; An – площадь сечения нетто (с учётом ослаблений), см 2; Ry – расчётное сопротивление стали по пределу текучести, к. Н/см 2; c – коэффициент условий работы. N