985
.pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»
О.Б. Иванова
МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ
Учебно-методическое пособие по подготовке к лекционным занятиям по дисциплине «Металлические конструкции» для
обучающихся по направлению подготовки 08.03.01 Строительство, профиль Экспертиза и управление недвижимостью
Нижний Новгород
2016
Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»
О.Б. Иванова
МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ
Учебно-методическое пособие по подготовке к лекционным занятиям по дисциплине «Металлические конструкции» для
обучающихся по направлению подготовки 08.03.01 Строительство, профиль Экспертиза и управление недвижимостью
Нижний Новгород ННГАСУ
2016
УДК 624.014 (075.8)
Иванова О.Б. Металлические конструкции зданий и сооружений. [Электронный ресурс]: учеб.- метод. пос. / О.Б. Иванова; Нижегор. гос. архитектур. - строит. ун - т – Н. Новгород: ННГАСУ, 2016. – 14 с; ил. 1 электрон. опт. диск (CD-RW)
Приведены рекомендации по изучению курса лекций по Металлическим конструкциям зданий и сооружений. Приведены основные особенности изучения лекций, изложены основные положения по освоению студентами 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, одноэтажные промышленные здания, листовые конструкции, классификация и подробные комментарии разных типов большепролетных зданий: с плоскими несущими конструкциями (балочные, рамные, арочные); с покрытиями из стержневых пространственных конструкций (купола); с покрытиями из несущих гибких нитей; с покрытиями из висячих мембранных оболочек; классификация стальных каркасов высотных зданий; технология изготовления и экономика металлических конструкций.
Предназначено обучающимся в ННГАСУ для подготовки к лекционным занятиям по учебной дисциплине Б.3.27 Металлические конструкции по направлению подготовки 08.03.01 Строительство, профиль Экспертиза и управление надвижимостью.
© |
О.Б. Иванова, 2016 |
© |
ННГАСУ, 2016. |
3
Введение.
В своей практической деятельности бакалавр направления 08.03.01 Строительство, профиль Экспертиза и управление недвижимостью (ЭУН) 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.
Изучению курса металлических конструкций должно предшествовать изучение следующих дисциплин: технология металлов и сварки; сопротивление материалов; строительная механика; архитектура промышленных и гражданских зданий.
Настоящее учебно-методическое пособие предназначено для студентов 4 курса (7-ой семестр) ННГАСУ в помощь при изучении курса лекций, на которые преподавателю в соответствии с действующим учебным планом выделено 34 академических часа.
Исходя из выделенного объема лекционных часов в учебно-методическом пособии изложены основные рекомендации для студентов по освоению курса:
1.Общие сведения о металлических конструкциях.
2.Виды соединений в металлических конструкциях.
3.Особенности конструирования стержневых элементов металлических конструкций, алгоритмы их расчета.
4.Одноэтажные промышленные здания.
5.Листовые конструкции.
6.Большепролетные покрытия.
7.Высотные здания.
8.Висячие покрытия.
9.Технология изготовления и экономика металлических конструкций.
Тема 1. Общие сведения о металлических конструкциях
Приступая к изучению данного курса лекций, студент должен, как будущий бакалавр по направлению Строительство с профилем «ЭУН», 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.
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. 118, 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.
4
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 ста-
лях;
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.
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.
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,
следующие:
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 и динамические [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];
5
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 2. Виды соединений в металлических конструкциях
Приступая к освоению данной темы в части сварных соединений, в дополнение к лекциям студенту рекомендуется ознакомиться с историей применения и развития сварки в строительных стальных конструкциях [1, стр. 128-129]; изучить классификацию современной электродуговой сварки: ручной, механизированной, автоматической, электрошла-
ковой, газовой [1, стр. 129-133]; классификацию сварных соединений (стыковые и угло-
вые) по разным признакам:
1)конструктивному – разделка кромок в стыковых швах; деление на лобо-
вые и фланговые швы и выполнение соотношений катетов в соединениях на угловых
швах;
2)по положению в пространстве соединений элементов – палубные (ниж-
ние); горизонтальные и вертикальные на вертикальных поверхностях; потолочные;
3)по назначению – расчетные и конструктивные;
4)по протяженности – непрерывные и прерывистые;
5)по характеру работы – прочные, плотные, прочно-плотные;
6)по месту выполнения – заводские и монтажные;
7)по числу проходок – однопроходные (однослойные), многопроходные (многослойные).
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].
Приступая к освоению данной темы в части болтовых соединений 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 соединениям 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 технологиче-
ских 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 3. Особенности конструирования стержневых элементов металлических конструкций, алгоритмы их расчета
3,а. Основы проектирования и расчета балок из прокатных двутавров
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 расчетное сопротивление стали принимается по его величине в поясах, но не в стенке. Это идет в расчетах несколько в запас надежности, но существенно упрощает расчет. Балочный прокатный 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.
7
Для лучшего понимания и усвоения методики расчета прокатных балок по первому и второму 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.
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 профилей, следующие:
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 профилей;
7)основы проверок прокатных двутавровых балок на общую устойчивость;
8)основы проверок прокатных двутавровых балок на прогиб (второе предельное со-
стояние).
3,б. Основы проектирования и расчета балок составного сечения (сварных) при статических нагрузках
Основные вопросы, которые предлагаются студенту в лекциях и при самостоятель-
ной проработке отдельных вопросов для изучения основ проектирования и расчета свар-
ных балок, следующие:
1)основные принципы компоновки сварных балок по расходу стали (по прочности), по жесткости и устойчивости;
2)основы проверок сварных балок на прочность при постоянных сечениях по длине пролета и с переменными сечениями;
3)основы проверок на прочность бистальных балок;
4)основы проверок сварных балок на прогиб;
5)основы проверок сварных балок на общую устойчивость;
6)основы постановки поперечных ребер жесткости в стенках сварных балок и проверок отсеков стенки между поперечными ребрами на местную устойчивость при раз-
ных НДС и разных соотношениях расстояний между ребрами жесткости и высоты стенки в балках первого класса и особенности проверок местной устойчивости стенки в балках второго и третьего классов: с двумя осями симметрии поперечных сечений, с одной осью
симметрии и более развитым сжатым поясом, с одной осью симметрии и более развитым растянутым поясом;
7)основы проверки местной устойчивости сжатых поясов сварных балок;
8)основы проектирования и расчета поясных швов в сварных балках, его особенности при поясных соединениях на болтах;
9)основы проектирования и расчета стыков в балках: заводских и монтажных;
10)основы проектирования и расчета опорных частей сварных и прокатных ба-
лок.
3,в. Основы проектирования и расчета центрально сжатых колонн
8
В данной теме лектор в процессе изложения содержания подробно знакомит сту-
дентов со следующими вопросами:
-общие положения об особенностях работы центрально сжатых стальных колонн, их структуры (оголовок, стержень, база), основах компоновки стержня сплошной колонны;
-основы подбора поперечного сечения стержня сплошной колонны методом последовательных приближений при уточнении гибкостей и коэффициента продольного изгиба при заданной расчетной длине;
-проверка устойчивости стержня после окончательного подбора сечения;
-проверка местной устойчивости стенки и поясов;
-основы компоновки стержня сквозного сечения центрально сжатой колонны;
-методика подбора поперечного сечения сквозного стержня относительно материальной и свободной осей, относительно двух свободных осей;
-особенности определения приведенной гибкости сквозного стержня на планках и раскосной решетке;
-основы компоновки и расчета планок и раскосной решетки в центрально сжатых
колоннах сквозного сечения.
Таким образом, основные вопросы, которые предлагаются студенту в лекциях и
при самостоятельной проработке при изучении основ проектирования и расчета центрально сжатых колонн следующие:
1)основы компоновки центрально сжатых колонн сплошного сечения;
2)основы компоновки центрально сжатых колонн сквозного сечения;
3)расчетные длины центрально сжатых колонн в зависимости от условий их закрепления;
4)основы методики расчета стержня колонны сплошного сечения;
5)основы методики расчета стержня сквозной колонны;
6)особенности определения коэффициента продольного изгиба в сплошных и сквозных колоннах;
7)основы проектирования и расчета планок и раскосной решетки в сквозных колоннах.
3,г. Основы проектирования и расчета легких стальных ферм
В данной теме лектор в процессе изложения содержания лекций подробно знако-
мит студентов со следующими вопросами:
-определение, классификация и область применения легких ферм;
-генеральные размеры легких ферм (пролет, высота, размеры панелей верхнего и нижнего поясов);
-особенности геометрических схем легких ферм: по статической схеме, по очертанию поясов; по системе решетки;
-алгоритм подбора сечений элементов легких ферм покрытий зданий;
-определение прочности и устойчивости предварительно назначенных сечений стержней на усилия от нормативных нагрузок, их корректировка при необходимости и проверка прогиба фермы (при неудовлетворении прогиба выполнить повторную корректировку сечений стержней); проверочный расчет стержней фермы на усилия от расчетных
нагрузок и их корректировка при необходимости.
Таким образом, основные вопросы, которые предлагаются студенту в лекциях и
при самостоятельной проработке при изучении основ проектирования и расчета легких стальных ферм, следующие:
1)классификация легких ферм, какие фермы считаются легкими;
2)области применения легких ферм;
3)геометрические схемы легких ферм по очертанию поясов, систем решетки, статической определимости;
9
4) методика расчета легких ферм по второму предельному состоянию, по первому предельному состоянию.
Тема 4. Одноэтажные промышленные здания
Лектор знакомит студентов со структурой классического стального каркаса ОПЗ, включающей: поперечные рамы, состоящие из колонн и ригелей; шатер, включающий подстропильные и промежуточные стропильные фермы (при необходимости); связи по шатру и колоннам; прогоны и профнастил кровли, через которые на поперечную раму передаются вертикальные нагрузки; фахверк и стеновое ограждение, передающие на раму горизонтальные ветровые нагрузки; особое место в поперечной раме и каркасе здания занимают подкрановые конструкции под мостовые краны (все эти сведения лектор сопровождает необходимыми конструктивными схемами по ходу изложения темы).
Далее лектор раскрывает основные принципы компоновки каркаса ОПЗ.
В списке рекомендуемой литературы для углубленного освоения компоновки стального каркаса ОПЗ (в традиционном исполнении): [1, стр. 322-326], [5, стр. 208-310], [6, стр. 266-268].
Тема 5. Листовые конструкции
В данной теме лектор в процессе изложения содержания лекций подробно знако-
мит студентов со следующими вопросами:
- номенклатура, область применения и особенности листовых конструкций; - резервуары: основные определения, классификация и особенности.
В списке рекомендуемой литературы для углубленного освоения листовых конст-
рукций: [11, стр. 5-35].
Тема 6. Большепролетные покрытия
Здесь лектор обращает внимание студентов на то, что изучение большепролетных плоских стальных конструкций в [9] построено в последовательности от балочных до арочных по мере усложнения расчетных схем большепролетных конструкций по отношению к их конструктивным схемам.
а) Балочные большепролетные стальные конструкции.
б) Переходя к изучению большепролетных плоских рамных конструкций зданий, лектор обращает внимание студентов на бó льшую жесткость рамных конструкций по сравнению с балочными и потому имеющими меньшую строительную высоту по сравнению с балочными при равных пролетах за счет разгружающего действия опорных моментов.
в) Большепролетные здания с покрытиями стальными арками. Здесь лектор обращает внимание студентов на то, что, несмотря на усложнение геометрической формы, арки оказались существенно экономичнее рамных по расходу стали при пролетах более 80 м. Однако у них есть свои недостатки в приопорных зонах.
Лектор обращает внимание студентов на то, что из стержневых пространственных стальных конструкций, имеющих ту или иную кривизну, наибольшее применение в практике проектирования и строительства получили купола.
Развитие конструкций куполов в историческом времени проходило от ребристых к ребристо-кольцевым, последние из которых плавно переходили в сетчатые по мере включения вспомогательных стержней в основные несущие. Здесь лектор дает определение каждому типу куполов, показывает на схемах их конструктивные различия [9, стр. 33-40].