Реферат выполнил Сабирзянов И.И. гр.08-202
Казанская ГосударственнаяАрхитектурно-Строительная Академия
2003 г.
Общие сведения.
С развитием металлургической промышленностирастет объем и номенклатура металлических изделий в строительстве и особенноассортимент из алюминия. Из стального проката возводят каркасы промышленных игражданских зданий, мосты, изготовляют арматуру для железобетона, кровельнуюсталь, трубы, а также различные металлические изделия, заклепки, болты, гвозди,шурупы. Различный профиль алюминия используют для изготовления несущих иограждающих конструкций, ф Широкому использованию металлов в строительствеспособствует ряд их ценных технических свойств: высокая прочность,пластичность, повышенная теплопроводность, электропроводность и свариваемость.Наряду с этим металлы, и особенно сталь и чугун, при действии различных газов ивлаги сильно корродируют и требуют специальной защиты.
Вопросы экономии металла в отраслисборного железобетона наряду с проблемой снижения трудоемкости изготовленияизделий арматуры имеют большое значение.
К перерасходу металла в строительствеведут следующие причины: замена арматуры проектных диаметров и классов, а такжепрофилей проката, имеющимися в наличии; технологические потери, обусловленныеособенностями производства (отходы концов напрягаемых стержней, используемыхдля установки захватов, отходов прядей на длинном стенде, на участках междуформами и т. д.); отходы при заготовке арматуры и изделий из нее и раскроепроката; прокат арматуры с положительными допусками: брак; разрушениеконструкций при контрольных испытаниях.
Причинами перерасхода стали являютсянерациональный раскрой металлопроката по чертежам, замена проектных профилей илистов на имеющиеся в наличии больших сечений и толщин, применение сталиповышенной и высокой прочности без соответствующего перерасчета конструкций,недостатки в организации поставки металлопроката металлургическими заводами.
Сложившийся удельный вес в строительнойиндустрии при производстве железобетона и строительных конструкций составляет(%): завышение номинального диаметра арматурной стали— 62,4; плюсовые допускипроката— 12,0; немерные длины свариваемых марок стали — 25,6.
Значительная доля металлических изделий,используемых в строительстве, приходится на стальную арматуру.
Потери металла при производстве арматурныхработ обусловлены прежде всего уровнем технологического оборудования иоснастки, особенностями технологии.
Основные причины потерь арматурной стали(удельный вес в общем расходе, %): отходы напрягаемой арматуры — 7,5; отходыпри р.аскрое стержней в резке бухт — 2,6; отступления от проекта— 1,0; выпускбракованной продукции — 0,5.
Разработка и внедрение линий длябезотходной сварки и резки арматурных стержней всех классов,
Для предотвращения от коррозии доприменения арматура должна быть защищена от атмосферных осадков и другихисточников увлажнения. Высокопрочную арматуру следует хранить в сухих закрытыхскладских помещениях с относительной влажностью воздуха не выше 60%. Недопускается хранение такой арматуры на земляном полу, агрессивных илизагрязненных агрессивными веществами подкладках, а также вблизи местонахожденияили выделения агрессивных веществ (соли, газы, аэрозоли). Допускается хранениебез ограничения относительной влажности воздуха высокопрочной арматуры ватмосфере, насыщенной парами летучих ингибиторов, которая может быть созданапод герметизированными колпаками, во временных хранилищах, защищенных от атмосферныхосадков.
Допустимым коррозионным поражениемарматуры считается такое, при котором налет ржавчины может быть удаленпротиркой.сухой ветошью. При невыполнении указанного условия высокопрочнуюарматуру подвергают специальной проверке на склонность к хрупкому коррозионномуразрушению.
При использовании арматуры с цинковымалюминиевым покрытием не допускается ее правка с помощью станков, вызывающихмеханическое разрушение покрытия, а при контактной сварке режим должен бытьподобран из условия наименьшего повреждения покрытия. Дуговая сварка указаннойарматуры не допускается.
Для защиты арматуры, используемой вячеистых и силикатных бетонах автоклавного твердения, используют защитныепокрытия (обмазки) в виде холодной цементно-битумной мастики, горячей ингибированнойбитумно-цементной или латексно-минеральной и других видов обмазок.
Толщина высушенного защитного покрытия наарматуре должна быть 0,3...0,4 мм при использовании холодной цементно-битумноймастики и не менее 0,5 мм при использовании цементно-полистирольной. Принанесении покрытий в электрическом поле толщина их может быть уменьшенасоответственно до 0,2...0,3 мм и 0,4 мм.
Защита арматуры от коррозии, т. е. еедлительная сохранность в процессе эксплуатации железобетонной конструкции, взначительной мере зависит от технологии ее изготовления, за исключением техслучаев, когда используются специальные защитные покрытия, наносимые наповерхность арматуры.
Общая характеристика и основыпроектирования металлических конструкций
2.1 Номенклатура стальных конструкций
Стальные конструкции используют вразличных инженерных сооружениях, которые в зависимости от конструктивной формыи назначения можно разделить на следующие виды.
1. Одноэтажные производственные здания.Такие здания могут быть однопролетными и многопролетными, в том числе спролетами разной высоты, со встроенными рабочими площадками и многоэтажнымивставками. Размеры в плане их весьма разнообразны: от нескольких десятковметров до 1 км и более. Производственные здания обычно оборудуют встроенными транспортнымисредствами в виде конвейеров, подвесных или мостовых опорных кранов. Вбескрановых зданиях используют напольный транспорт (электрокары, погрузчики ипр.).
До недавнего времени стальной каркасразрешалось применять в производственных зданиях при пролетах 24 м и более,высоте более 18 м и при грузоподъемности кранов более 50 т. Сейчас этиограничения сняты и стальные конструкции находят широкое применение длясоздания ремонтных мастерских, укрытий для сельхозтехники, навесов, складскихпомещений и других зданий при пролетах 12… 18 м. Получили распространениездания-модули полной заводской готовности на основе арочных конструкций, сводовиз объемно-формованного тонкого листа, структурных конструкций(пространственных решетчатых систем).
Наряду со стальными применяют смешанныекаркасы, в которых по железобетонным колоннам устанавливают стальныеконструкции покрытия и подкрановые пути.
2. Малоэтажные здания. Прежде такие зданиястроили из кирпича, железобетона, дерева и других традиционных строительныхматериалов. Сейчас в подобных зданиях используют также сталь и алюминиевыесплавы, из которых делают каркас, обшивку утепленных стен, оконные переплеты,двери, встроенные шкафы, обрешетку перегородок. Освоено изготовлениецельнометаллических зданий комплектной поставки «под ключ».
3. Высотные здания. Многоэтажные здания(20… 30 этажей и выше) используют главным образом в гражданскомстроительстве, в условиях плотной застройки больших городов. Их обычнопроектируют с четким разделением конструкций на несущие и ограждающие. Функциинесущих конструкций выполняет стальной каркас, а ограждающих — легкие стеновыепанели из эффективных теплоизоляционных материалов, в том числе панели собшивками из стали или алюминиевых сплавов.
4. Большепролетные здания. Большие пролеты(50… 150 м и более) имеют спортивные сооружения, крытые рынки, выставочныепавильоны и некоторые производственные здания (ангары, авиасборочные цехи идр.). Для перекрытия таких пролетов, как правило, используют стальныеконструкции. Системы и конструктивные формы большепролетных покрытий оченьразнообразны. Здесь возможны балочные, рамные, арочные, купольные, висячие икомбинированные системы, причем как плоские, так и пространственные.
Основной нагрузкой в большепролетныхзданиях является собственный вес, для снижения которого рационально применятьоблегченные ограждающие конструкции, стали повышенной и высокой прочности,различные способы регулирования усилий,.в том числе предварительноенапряжение.
5. Мосты, эстакады. Пролетные строениямостов на железных и автомобильных дорогах выполняют из металла при больших (до1 км и более), а также средних (30...60 м) пролетах. В последнем случаестальным мостам отдают предпочтение при сжатых сроках возведения и пристроительстве на стратегических дорогах, учитывая возможность их быстроговосстановления.
Мосты и эстакады имеют разнообразныесистемы: балочные, арочные, висячие. В балочных системах часто применяютсталежеле-зобетонные балки, объединяя стальные главные балки пролетногостроения с железобетонной плитой проезжей части для совместной работы на изгиб.
6. Башни и мачты. Большую группу подобныхконструкций составляют антенные устройства для телевидения, радиовещания имногоканальной телефонной связи. При передаче средних волн мачта высотой 200… 500 м может выполнять функции излучателя. В иных случаях башни и мачтыслужат для размещения на определенной высоте проволочной сети или специальныхантенных устройств.
Опоры воздушных линий электропередачислужат для передачи электроэнергии по проводам, прикрепленным к опорам черезгирлянды изоляторов. Для защиты от молнии над проводами размещают грозозащитныетросы. Высокое напряжение электрического тока, передаваемого по проводам,требует значительного удаления проводов друг от друга и от земли, поэтомувысота опор составляет 20… 40 м, а при переходе линии через препятствияможет достигать 150 м и более.
Вытяжные башни служат для поддержаниягазоотводящих стволов дымовых и вентиляционных труб. Высота башни, определяемаяэкологическими требованиями, обычно составляет 80… 150 м, хотя имеются башнивысотой 600 м.
Башни морских стационарных платформ длядобычи нефти и газа устанавливают на континентальном шельфе морей и океанов.Прикрепленная с помощью свай к морскому дну башня поддерживает искусственныйостровок, на котором размещены буровая вышка, мастерские, вертолетная площадка,жилые помещения и пр. Это, как правило, уникальные сооружения, достигающиеглубин 200… 300 м и более при ширине основания порядка 70 м. Решетчатуюконструкцию такой башни выполняют из труб диаметром 2… 4 м при толщинестенок 60… 90 мм.
К башенным конструкциям относят такжегеодезические вышки, промышленные этажерки, надшахтные копры, буровые вышки идр.
7. Листовые конструкции представляют собойтонкостенные пластинки и оболочки различной формы.
Резервуары служат для хранениянефтепродуктов, воды, сжиженных газов, кислот, спиртов и других жидкостей.Применяют резервуары различной формы и размеров с объемом, достигающим 200 тыс.м3. Среди них вертикальные цилиндрические, горизонтальныецилиндрические и сферические резервуары, резервуары с понтоном, с плавающейкрышей и многие другие.
Газгольдеры предназначены для хранения,смешивания и выравнивания состава газов. Их включают в газовую сеть междуисточниками получения газа и его потребителями в качестве своеобразныхаккумуляторов. Применяют газгольдеры постоянного объема, в которых газ хранятпри высоком давлении, и газгольдеры переменного объема с хранением газа принизком постоянном давлении. Переменность объема обеспечивают подвижнымизвеньями или шайбой, которая, подобно поршню в цилиндре, перемещается по стенкегазгольдера. Вместимость газгольдеров переменного объема достигает 600 тыс. м3.
Бункера и силосы представляют емкости,предназначенные для хранения и перегрузки сыпучих материалов. Силосы отличаютсяот бункеров сравнительно большим отношением высоты к размерам в плане. Группыбункеров обычно объединяют в бункерные эстакады. Применяют бункера с плоскимистенками и гибкие (висячие).
К листовым конструкциям относят такжетрубопроводы большого диаметра, некоторые сооружения нефтепереработки,доменного и химического производств.
8. Другие виды конструкций. Это стальныеконструкции мостовых, башенных, козловых кранов, кранов-перегружателей,отвальных мостов, крупных экскаваторов, строительных и дорожных машин, затворови ворот шлюзов гидротехнических сооружений, радиотелескопов, антенн космическойсвязи и др.
2.2 Достоинства и недостатки стальныхконструкций
Основными достоинствами стальныхконструкций по сравнению с конструкциями из других материалов являютсянадежность, легкость, непроницаемость, индустриальность, а также простотатехнического перевооружения, ремонта и реконструкции.
Надежность стальных конструкцийобеспечивается близким соответствием характеристик стали нашим представлениямоб идеальном упругом или упругопластическом изотропном материале, для которогострого сформулированы и обоснованы основные положения сопротивления материалов,теории упругости и строительной механики. Сталь имеет однородную мелкозернистуюструктуру с одинаковыми свойствами по всем направлениям, напряжения связаны сдеформациями линейной зависимостью в большом диапазоне, а при некоторомзначении напряжений может быть реализована идеальная пластичность в видеплощадки текучести. Все это соответствует гипотезам и допущениям, взятым заоснову при разработке теоретических предпосылок расчета, поэтому расчет,построенный на таких предпосылках, в полной мере соответствует действительнойработе стальных конструкций.
Легкость. Из всех изготовляемых внастоящее время несущих конструкций металлические являются самыми легкими. Запоказатель легкости принимают отношение плотности материала к его прочности.Наименьшее значение этот показатель имеет для алюминиевых сплавов и составляетдля сплава Д16-Т 1,1-10-4 м-1. Приняв его за единицу, запишемсравнительные данные для других материалов: сталь — 1,5… 3,4, дерево — 4,9,бетон среднего класса прочности — 16,8.
Сравнив две одинаковые конструкции, однаиз которых выполнена из алюминиевого сплава, а другая — из железобетона, выможете прийти к ошибочному выводу, что при прочих равных условиях железобетонная конструкция будет примерно в 16 раз тяжелее. На самом деле этоне так и железобетонная конструкция, особенно при больших пролетах, можетоказаться более тяжелой. Дело в том, что конструкция несет как бы две нагрузки:полезную, для которой она запроектирована, и неизбежный собственный вес.Например, несущая способность железобетонной плиты покрытия типа ПНС размером3х6 м равна 4...4,5 кН/м2, из них 1,3...1,5 кН/м2 (т.е.30%) приходится на собственный вес плиты. Стальная панель такого же размера,изготовленная из профилированного настила и швеллеров, при той же несущейспособности будет иметь долю собственного веса 0,45...0,50 кг/м2,что составляет около 10% от общей нагрузки.
Непроницаемость. Металлы обладают нетолько большой прочностью, но и высокой плотностью — непроницаемостью для газови жидкостей. Плотность стали и ее соединений, осуществляемых с помощью сварки,является необходимым условием для изготовления резервуаров, газгольдеров, трубопроводов,различных сосудов и аппаратов.
Индустриальность. Стальные конструкцииизготовляют на заводах, оснащенных специальным оборудованием, а монтажпроизводят с использованием высокопроизводительной техники. Все это исключаетили до минимума сокращает тяжелый ручной труд.
Ремонтопригодность. Применительно кстальным конструкциям наиболее просто решаются вопросы усиления, техническогоперевооружения и реконструкции. С помощью сварки вы можете легко прикрепить кэлементам существующего каркаса новое технологическое оборудование, при необходимостиусилив эти элементы, что также делается достаточно просто.
Сохраняемостъ металлического фонда.Стальные конструкции в результате физического и морального износа изымаются изэксплуатации, переплавляются и снова используются в народном хозяйстве.
Недостатками стальных конструкций являютсяих подверженность коррозии и сравнительно малая огнестойкость. Сталь, незащищенная от контакта с влагой, в сочетании с агрессивными газами, солями,пылью подвергается коррозии. При высоких температурах (для стали — 600°С, дляалюминиевых сплавов — 300°С) металлоконструкции теряют свою несущуюспособность.
При грамотном проектировании исоответствующей эксплуатации эти недостатки не представляют опасности длявыполнения конструкцией своих функций, но приводят к повышению начальных иэксплуатационных затрат.
Повышения коррозионной стойкости стальныхконструкций достигают включением в сталь специальных легирующих добавок,периодическим покрытием конструкций защитным слоем в виде лаков или красок, атакже выбором рациональной конструктивной формы (без 'щелей и пазух, где могутскапливаться влага и пыль).
Повышение огнестойкости стальныхконструкций зданий, опасных в пожарном отношении (жилые и общественные здания,склады с горючими или легковоспламеняющимися материалами) осуществляют путемустранения непосредственного контакта конструкций с открытым огнем. Для этогопредусматривают подвесные потолки, огнестойкие облицовки, обмазки специальнымисоставами. Используя специальные покрытия в виде обмазок, можно существенноувеличить предел огнестойкости.
2.3 Требования, предъявляемые кметаллическим конструкциям
При проектировании металлическихконструкций должны учитываться следующие основные требования.
Условия эксплуатации. Удовлетворениезаданным при проектировании условиям эксплуатации является основным требованиемдля проектировщика. Оно в основном определяет систему, конструктивную формусооружения и выбор материала для него.
Экономия металла. Требование экономииметалла определяется большой его потребностью во всех отраслях промышленности(машиностроение, транспорт и т. д.) и относительно высокой стоимостью.
В строительных конструкциях металл следуетприменять лишь в тех случаях, когда замена его другими видами материалов (впервую очередь железобетоном) нерациональна.
Транспортабельность. В связи сизготовлением металлических конструкций, как правило, на заводах с последующейперевозкой на место строительства в проекте должна быть предусмотренавозможность перевозки их целиком пли по частям (отправочными элементами) сприменением соответствующих транспортных средств.
Технологичность. Конструкции должныпроектироваться с учетом требований технологии изготовления я монтажа сориентацией на наиболее современные и производительные технологические приемы,обеспечивающие максимальное снижение трудоемкости.
Скоростной монтаж. Конструкция должнасоответствовать возможностям сборки ее в наименьшие сроки с учетом имеющегосямонтажного оборудования.
Долговечность конструкции определяетсясроками ее физического и морального износа. Физический износ металлическихконструкций связан главным образом с процессами коррозии. Моральный износсвязан с изменением условий эксплуатации.
Эстетичность. Конструкции независимо от ихназначения должны обладать гармоничными формами. Особенно существенно этотребование для общественных зданий и сооружений.
Все эти требования удовлетворяютсяконструкторами на основе выработанных наукой и практикой принципов советскойшколы проектирования и основных направлении ее развития.
Основным принципом советской школыпроектирования является достижение трех главных показателей: экономии стали,повышения производительности труда при изготовлении, снижения трудоемкости исроков монтажа, которые и определяют стоимость конструкции. Несмотря на то чтоэти показатели часто при реализации вступают в противоречие (так, например,наиболее экономная по расходу стали конструкция часто бывает наиболеетрудоемкой в изготовлении и монтаже), советский опыт развития металлическихконструкций подтверждает возможность реализации этого принципа.
Экономия металла в металлическихконструкциях достигается на основе реализации следующих основных направлений:применения в строительных конструкциях низколегированных и высокопрочныхсталей, использования наиболее экономичных прокатных и гнутых профилей,изыскания и внедрения в строительство современных эффективных конструктивныхформ и систем (пространственных, предварительно напряженных, висячих, трубчатыхи т.п.), совершенствования методов расчета и изыскания оптимальныхконструктивных решений с использованием электронно-вычислительной техники.
Эффективно и комплексно производственныетребования удовлетворяются на основе типизации конструктивных элементов и целыхсооружений.
Типизация металлических конструкций вРоссии получила весьма широкое развитие. Разработаны типовые решения частоповторяющихся конструктивных элементов-колонн, ферм подкрановых балок, оконныхи фонарных переплетов. В этих типовых решениях унифицированы размеры элементови сопряжении. Для некоторых элементов разработаны стандарты.
Разработаны типовые решения такихсооружений, как радиомачты, башни, опоры линий электропередачи, резервуары,газгольдеры, пролетные строения мостов, некоторые виды промышленных зданий,сооружений и т. п.
Типовые решения разработаны на основеприменения оптимальных с точки зрения затраты материала, размеров элементов,оптимальной технологии их изготовления ц возможностей транспортирования.
Типизация и проводимая на ее основеунификация и стандартизация обеспечивают большую повторяемость, серийностьизготовления конструктивных элементов и их деталей на заводах и, следовательно,способствуют повышению производительности труда, сокращению сроков изготовленияна основе эффективного использования более совершенного оборудования испециальных технологических приспособлений (кондукторов, копиров, кантователейи т.п.). Типизация, унификация и стандартизация создают благоприятные условиядля разработки и внедрения особенно эффективного поточного метода изготовленияи монтажа металлических конструкций.
Типовые проекты обеспечивают экономиюметалла, упорядочивают проектирование, повышают его качество и сокращают срокистроительства.
Ведущим принципом скоростного монтажаявляется сборка конструкций в крупные блоки на земле с последующим подъемом ихв проектное положение с минимальным количеством монтажных работ наверху.Типизация создает предпосылки для сокращения сроков монтажа, снижения еготрудоемкости, так как повторяющиеся виды конструкций и их сопряжении позволяютлучше использовать монтажное оборудование и совершенствовать процесс монтажа.
Конструкции из металла
3.1 Балки и балочные конструкции
Одним из наиболее распространенныхэлементов стальных конструкций является балка или элемент, работающий на изгиб.
Область применения балок в строительствечрезвычайно широка: от небольших элементов рабочих площадок, междуэтажныхперекрытий производственных или гражданских зданий до большепролетных балокпокрытий, мостов, тяжело нагруженных подкрановых балок и так называемых«хребтовых» балок для подвески котлов в современных тепловыхэлектростанциях. Пролеты мостовых балок достигают 150...200 м, а нагрузка наодну хребтовую балку котельного отделения ГРЭС при пролете до 45 м составляет ~60 -103 кН.
3.1.1 Классификация балок
По статической схеме различаютоднопролетные (разрезные), многопролетные (неразрезные) и консольные балки.Разрезные балки проще неразрезных в изготовлении и монтаже, нечувствительны кразличным осадкам опор, но уступают последним по расходу металла на 10...12%.Неразрезные балки разумно применять при надежных основаниях, когда нетопасности перегрузки балок вследствие резкой разницы в осадке опор. Консольныебалки могут быть как разрезными, так и многопролетными. Консоли разгружаютпролетные сечения балок и тем самым повышают экономические показате липоследних.
По типу сечения балки могут бытьпрокатными либо составными: сварными, клепаными или болтовыми. В строительственаиболее часто применяют балки двутаврового сечения. Они удобны в компоновке,технологичны и экономичны по расходу металла.
Наибольший экономический эффект (припрочих равных условиях) может быть получен в тонкостенных балках. Хорошимкритерием относительной легкости изгибаемого элемента служит безразмерноесоотношение η = 3√ W2 / A3, где W- момент сопротивления, А — площадь сечения.
Для прямоугольного сечения с шириной b ивысотой h, если принять для определенности отношение h/b равным 2...6, этотпоказатель составляет 0,38...0,55, а для отечественных прокатных двутавров — 1,25...1,45, т.е. в принятых условиях двутавр в 3...4 раза выгоднее простогопрямоугольного сечения. Кроме двутавра применяют и другие формы сечений. Так,при воздействии на балку значительных крутящих моментов предпочтительнееприменение замкнутых, развитых в боковой плоскости сечений, примеры которыхпоказаны.
Экономическая эффективность сечений, такимобразом, тесно связана с их тонкостенностью. Предельно возможная тонкостенностьпрокатных балок определяется не только требованиями местной устойчивостистенок, но и возможностями заводской технологии прокатки профилей. Местнаяустойчивость стенок составных сечений может быть повышена конструктивнымимерами (постановкой ребер жесткости, гофрированием стенок и т.п.).
3.1.2 Прокатные балки
Прокатные балки применяют для перекрытиянебольших пространств конструктивными элементами ограниченной несущейспособности, что связано с имеющейся номенклатурой выпускаемых прокатныхпрофилей. Их используют в балочных клетках; для перекрытия индивидуальныхподвалов, гаражей, складских помещений; в качестве прогонов покрытийпроизводственных зданий; в конструкциях эстакад, виадуков, мостов и многихдругих инженерных сооружениях.
В сравнении с составными прокатные балкиболее металлоемки за счет увеличенной толщины стенки, но менее трудоемки визготовлении и более надежны в эксплуатации. За исключением опорных зон и зонприложения значительных сосредоточенных сил, стенки прокатных балок нетребуется укреплять ребрами жесткости. Отсутствие сварных швов в областяхконтакта полок со стенкой существенно уменьшает концентрацию напряжений иснижает уровень начальной дефектности.
3.1.3 Составные балки
В тех случаях, когда требуются конструкции,жесткость и несущая способность которых превышает возможности прокатныхпрофилей, используют составные балки. Они могут быть сварными и клепаными, нопоследние применяют исключительно редко. Наибольшее применение получили балкидвутаврового симметричного, реже несимметричного сечений. Такие балки состоятиз трех элементов — верхнего и нижнего поясов, объединенных тонкой стенкой.Перспективными являются сечения в виде двутврв, в качестве полок которогоиспользуют прокатные тавры и холодногнутые профили.
3.1.4 Дистальные балки
Снижение металлоемкости может бытьдостигнуто за счет использования в одной конструкции двух различных мароксталей. Балки, выполненные из двух марок сталей, называют бистальными. В нихцелесообразно наиболее напряженные участки поясов выполнять из стали повышеннойпрочности с Ry = Ry1 (низколегированные стали), а стенкуи малонапряженные участки поясов — из малоуглеродистой стали с Ry =Ry2.
В расчетном сечении такой балки придостижении в фибровых волокнах поясов σ = Ry1 в примыкающей кпоясам зоне стенки напряжения достигнут предела текучести σw(y>|a|)= Ry1. Центральная часть стенки и пояса находятся в упругой стадии,периферийные зоны стенки — в пластической (условия ограниченной пластичности).
Авторы норм рекомендуют при расчетахпрочности таких балок руководствоваться одним из двух критериев.
— Предельных пластических деформаций:пластические деформации допускаются не только в стенке, но и в поясах; вводитсяограничение на величину интенсивности пластических деформаций в стенке εip,w≤ >εip,lim.
— Предельных напряжений в поясах балки:пластические деформации допускаются лишь в стенке; работа поясов ограниченаупругой стадией σƒ ≤ > Ry1.
В зависимости от нормы предельнойинтенсивности пластических деформаций и расчетного критерия, бистальные балкиклассифицируют по четырем группам.
1. Подкрановые балки под краны с режимомработы 1К-5К (ГОСТ 25546-82), для которых расчеты на прочность выполняют покритерию предельных напряжении в поясе при расчетном сопротивлении стали поясовRƒ = Ru / γu
2. Балки, воспринимающие подвижные ивибрационные нагрузки (балки рабочих площадок, бункерных и разгрузочныхэстакад. транспортерных галерей и др.), — εip,lim = 0.1 %.
3. Балки, работающие на статическиенагрузки (балки перекрытий и покрытий; ригели рам, фахверка и другиеизгибаемые, растянуто-изгибаемые и сжато-изгибаемые балочные элементы), — εip,lim = 0,2 %.
4. Балки группы 3, но не подверженныелокальным воздействиям, не имеющие продольных ребер жесткости, обладающиеповышенной общей и местной устойчивостью, — εip,lim = 0,4%.
В группы 2...4 объединены балки, длякоторых расчеты на прочность выполняют по критерию ограниченных пластическихдеформаций.
3.1.5 Балки замкнутого сечения
Балки замкнутого сечения обладают рядомпреимуществ по сравнению с открытыми. К ним относятся:
— более высокая несущая способностьконструкций или их элементов при работе на изгиб в двух плоскостях и накручение. Материал в замкнутых сечениях располагается в основном в периферийныхзонах по отношению к центру тяжести, это обусловливает увеличение моментовинерции и сопротивления относительно оси у (из плоскости элемента) и моментаинерции на кручение;
— ввиду существенного увеличения (вдесятки раз) момента инерции на кручение в элементах с замкнутыми сечениями,как правило, исключается изгибно-крутильная форма потери устойчивости;
— элементы с замкнутыми сечениями болееустойчивы при монтаже, менее подвержены механическим повреждениям во времятранспортировки и монтажа.
Несмотря на названные достоинства,конструктивные элементы с замкнутыми сечениями не нашли в настоящее времяширокого применения. И объясняется это прежде всего низкой технологичностью и,как следствие, большей трудоемкостью изготовления.
Конструктивные решения
Замкнутые, в частности коробчатые, сеченияприменяют при необходимости увеличения жесткости балок в поперечномнаправлении, при отсутствии поперечных связей, изгибе в двух плоскостях наличиикрутящих моментов, при ограниченной строительной высоте и больших поперечныхсилах. Подобным силовым воздействиям при названных конструктивных ограниченияхподвергаются балочные конструкции мостов, силовых элементов промышленныхсооружений, кранов и др. Возможные формы сечения балок представлены на.
Наличие двух стенок делает особенноактуальной задачу уменьшения их толщины при обеспечении местной устойчивости.Конструктивно это достигается либо искривлением стенки, либо постановкойразличного типа связей между стенками в форме диафрагм, стяжных болтов и др.
Диафрагмы имеют форму пластинки, а присильно развитом сечении — форму рамки с прямоугольным или овальным вырезом. Вуглах диафрагмы имеют скосы такие же, как и в ребрах жесткости балок открытогопрофиля. Для более равномерного распределения нагрузки между элементами сеченияи повышения пространственной жесткости возможно использовать раскосную системурасположения диафрагм с отклонением диафрагм на 30...600 от вертикали илигоризонтали. Однако следует иметь в виду, что трудоемкость изготовлениядиафрагм с наклоном значительно выше, чем вертикальных. Взамен диафрагм дляповышения местной устойчивости стенки можно использовать связи между стенками ввиде вкладышей со стяжными болтами. В этом случае за счет дополнительных связеймежду стенками создается пространственная система, обе стенки которой работаютсовместно, поэтому при расчете из плоскости балки стенку следует рассматриватькак составную конструкцию.
С целью экономии стали, так же как и вбалках открытого профиля, в балках коробчатого сечения при больших пролетах следуетпредусматривать изменение сечения по длине балки.
3.1.6 Балки с гибкой стенкой
Балки с гибкой (очень тонкой) стенкойпоявились впервые в конструкциях каркасов летательных аппаратов, где длялегкости стенки выполняли зачастую не из металла, а из прочной ткани (перкаль,брезент). Плоская стенка в такой балке теряет устойчивость в начальной стадиинагружения, приобретая вторую устойчивую форму — в виде наклонно гофрированной(у опор, где преобладает сдвиг) либо вспорушенной ( в зонах с преобладающими напряжениямисжатия) поверхности. После снятия нагрузки эти деформации стенок, называемыечасто «хлопунами», исчезают. В строительстве стали применять такиебалки в 70-е годы текущего века. Они являются дальнейшим воплощением идеи отесной связи показателей экономической эффективности с понятием тонкостенности.Уменьшение относительной толщины стенки λw = hw / twв 2...3 раза приводит к снижению расхода металла на стенку на 25...35% и кконцентрации металла в поясах, что выгодно по условиям работы на изгиб.
Применение балок с очень тонкими стенкамиуместно при стабильном направлении действия статических временных нагрузок,поскольку работа таких балок при переменных по направлению подвижных идинамических нагрузках еще недостаточно изучена.
Особенности работы конструкции балок. Напервой стадии работы балки ее гибкая стенка остается плоской, как и в обычнойбалке. Но по протяженности эта стадия работы коротка и заканчивается потерейустойчивости стенки, т.е. переходом в закритическую стадию работы с появлением«хлопунов».
В закритической стадии работы уже несоблюдается линейная зависимость между деформациями стенки и нагрузкой.Развиваются зоны выпучивания стенки с образованием растянутых складок,натяжение которых вызывает местный изгиб поясов балки, а также сжатиепоперечных ребер жесткости и изгиб опорных ребер в плоскости стенок. Эта стадиязавершается достижением напряжениями предела текучести σy либов отдельных точках стенки, либо в поясах (или одновременно).
В третьей стадии развиваются пластическиедеформации в стенке и в поясах. Нарастает прогиб балки; интенсивность ростапрогиба к концу этой стадии резко повышается и в отсеках балки образуетсяпластический механизм — балка приходит в предельное состояние с появлениемчрезмерных остаточных деформаций. При дальнейшем, даже незначительном,возрастании нагрузки балка теряет несущую способность либо вследствие потериместной устойчивости полки сжато-изогнутого пояса, либо из-за потериустойчивости пояса в плоскости стенки, как стержня, от действия сжимающей силыи изгибающего момента. Не исключена и общая потеря устойчивости плоской формыизгиба балки, если последняя не раскреплена надлежащим образом от боковыхдеформаций. Отметим также, что описанные формы потери устойчивости пояса балкимогут произойти и не в конце третьей стадии, а даже и на предыдущих стадиях,если размеры элементов пояса выбраны неудачно.
Учет особенностей работы балок с гибкимистенками привел к необходимости разработки адекватных рекомендаций по ихконструктивным решениям. Возможно применение балок: с поперечными ребрами,приваренными к стенке — двусторонними и односторонними, или не связанными снею; без поперечных ребер. Безреберные балки требуют строго центрированногоприложения нагрузки в плоскости стенки, ибо пояса их практически не закрепленыот закручивания.
Более часто применяют балки с ребрамижесткости, имеющими назначение, как и в обычных балках, для восприятия местныхнагрузок от второстепенных балок и для ограничения длины отсека. В работеребер, подкрепляющих гибкие стенки, есть и свои особенности, определяемыеработой стенок в закритической стадии.
Пояса в балках с гибкими стенками работаютне только на сжатие, но и на изгиб от натяжения стенки, поэтому целесообразноприменять сечения поясов с повышенной жесткостью на изгиб и кручение. Потехнологичности более предпочтительны сечения с поясами из полосовой стали иширокополочных тавров; при значительных нагрузках возможно применение поясов изпрокатных или гнутых швеллеров либо из широкополочных двутавров. Сечения балокс повышенным объемом сварки уступают остальным по трудоемкости изготовления.
По статической схеме балки с гибкойстенкой могут быть разрезными и неразрезными, а по очертанию — постоянной илипеременной высоты (двускатные либо односкатные). Применяют такие балки вкачестве прогонов, стропильных и подстропильных конструкций пролетом 12...36 мс соотношением постоянных и временных нагрузок 1/1,5...1/2, балок жесткостикомбинированных балочно-вантовых систем, балок-стенок бункеров, стеноккрупногабаритных вентиляционных коробов, газоводов и т. п.
3.1.7 Балки с гофрированной стенкой
Одним из путей снижения металлоемкостибалок является гофрирование их стенок. В обычных балках толщина стенок, какправило, определяется не условием прочности, а требованиями местнойустойчивости. Постанова поперечных ребер смягчает ситуацию, позволяя уменьшитьтолщину стенок и одновременно повышая крутильную жесткость балок, так как ребраиграют роль диафрагм и обеспечивают неизменяемость контура поперечного сечения.Еще в середине 3-го десятилетия XX в. появилась идея гофрирования стенок балок,которое еще более эффективно обеспечит желаемые результаты. Гибкость такихстенок можно повысить до 300...600, к тому же чем тоньше стенка, тем легчевыполнить ее гофрирование.
Толщину гофрированных стенок принимают впределах 2...8 мм, что обеспечивает им все преимущества, определяемыетонкостенностью. В изготовлении стенок появляется дополнительнаятехнологическая операция — гофрирование — и несколько осложняется сваркапоясных швов, но уменьшение толщины стенки и исключение значительного числаребер жесткости приводят в конечном счете к снижению трудозатрат наизготовление балок на 15...25%. По трудоемкости изготовления и расходу металлабалки с гофрированной стенкой выигрывают и у балок с гибкой стенкой благодарярезкому снижению числа ребер жесткости, повышенной крутильной жесткости балок ивысокой местной устойчивости стенки.
При выборе конструктивного решения балки сгофрированной стенкой приходится учитывать не только особенности напряженно-деформированногосостояния балки под нагрузкой, но и требования технологичности. Наиболее простыи технологичны в изготовлении стенки с треугольными гофрами, но стенки сволнистыми гофрами более устойчивы. Практикуется и применение полос из готовогопрофнастила.
Изготовление балок с гофрированной стенкойцелесообразно вести на заводах металлоконструкций, организуя там специальныеучастки с прессами или иными установками для гофрирования и стендами для сваркипоясных швов. Сварочные автоматы должны быть приспособлены для перемещения поломаным и волнистым линиям примыкания гофрированной стенки к поясу. Плоскийлист подается между двумя валками, вращающимися навстречу друг другу. Наповерхности валков предусмотрены устройства для закрепления съемных пластин,осуществляющих перегибы плоского листа при повороте валков. Использованиесъемных пластин различных размеров дает возможность варьировать параметрыгофров. Для создания криволинейных гофров требуются более сложные съемныеэлементы. Волнистые гофры можно получить и прессованием пластин между двумяматрицами, но для варьирования параметров гофров в этом случае требуетсядовольно большой набор матриц.
Особенности работы и конструкции балок.Уже первые испытания балок с гофрированными стенками выявили особенностинапряженного состояния стенок и поясов: нормальные напряжения развиваются встенках лишь у поясов и быстро падают практически до нуля, поскольку жесткостьтонкой стенки поперек гофров очень мала; касательные же напряженияраспределяются по высоте стенки почти равномерно. Жестко связанные с поясомгофры передают на него усилия, вызывая в поясе переменный по величине инаправлению изгиб в его плоскости.
Балки с гофрированной стенкой дольшеработают в упругой стадии, чем балки с гибкой стенкой той же толщины, вплоть допотери устойчивости стенки как ортотропной пластинки. Пояса балок сгофрированной стенкой также работают в лучших условиях, поскольку они неиспытывают изгиба в плоскости стенки. Деформативность балок с гофрированнойстенкой на 15...20 % ниже, чем у балок с гибкой стенкой с теми же параметрами.
Предельное состояние балки с гофрированнойстенкой, как правило, наступает с потерей местной устойчивости стенки поддействием местных сосредоточенных сил, если не установлены ребра жесткости подними. В стенках с треугольными гофрами, работающими на сдвиг, сначала теряетустойчивость плоская полоска гофра, затем потеря устойчивости распространяетсяна несколько гофров, что можно считать потерей устойчивости стенки какортотропной пластинки. После этого пояс теряет устойчивость в плоскости стенкитак же. как и в балке с гибкой стенкой. В балках с достаточно жесткимигофрированными стенками предельное состояние может наступить из-за развитиячрезмерных остаточных деформаций (вторая группа предельных состояний). Свойствагофра определяются толщиной стенки и геометрическими параметрами гофрирования — длиной волны а и высотой волны ƒ. В расчетной практике чаще используютотносительные параметры a/hw, ƒ/a и ƒ/tw.Местная устойчивость гофрированных стенок балок может быть повышена, есливместо вертикального гофрирования применить наклонное с нисходящими гофрами.Оптимальный угол наклона гофров к верхнему поясу равен 45...50°. Однакоизготовление таких стенок усложняется и, как следствие, балки с наклонногофрированными стенками широкого применения не нашли. Но надо иметь в виду, чтогофры могут быть не только открытыми (когда сечение гофра выходит на крайлиста), но и глухими, т.е. выштампованными в стенке, не выходящими на крайлиста. Не исключена возможность гофрирования тонких стенок в готовом изделии, аследовательно, возможно применение глухих наклонных гофров.
Балки с гофрированными стенкамипроектируют обычно двутаврового сечения с поясами из листов, причем здесь нетребуется повышенная жесткость поясов на изгиб и кручение (в отличие от балок сгибкой стенкой); сечение поясов может быть достаточно развитым по ширине ипеременным по длине в соответствии с очертанием эпюры изгибающих моментов, чтообеспечивает дополнительную экономию металла.
Область применения балок с гофрированнойстенкой шире, чем балок с гибкой стенкой: они применимы в подкрановыхконструкциях и во всех других случаях, когда требуется повышенная жесткостьбалок на кручение.
3.1.8 Балки с перфорированной стенкой
Стремление повысить эффективностьиспользования металла в работе изгибаемых элементов привела инженеров еще впервых десятилетиях XX в. к оригинальной идее, позволяющей расширить диапазониспользования проката. Стенка прокатного двутавра (швеллера) разрезается позигзагообразной ломаной линии с регулярным шагом с помощью газовой резки или намощных прессах, и затем обе половины разрезанной балки соединяются сваркой всовмещенных между собой выступах стенки. Конечный результат приводит кувеличению высоты балки и позволяет перераспределить материал сечения,концентрируя его ближе к периферийным волокнам (полкам) и существенно повышаятакие геометрические характеристики сечения, как момент инерции и моментсопротивления. Образуется своеобразная конструктивная форма — балка с окнами встенке.
Изменение высоты исходного сечения вполтора раза повышает примерно во столько же его момент сопротивления и почтивдвое -момент инерции. Малоиспользуемая часть сечения стенки в центральной зонекак бы изымается ( 35...40 % материала стенки), что для большинства балок непредставляет какой-либо опасности. Расход металла в таких балках на 20...30 %меньше, чем в обычных прокатных балках, при одновременном снижении стоимости на10...18%. Дополнительные затраты труда на разрезку и сварку исходного прокатаневелики: в сравнении со сварными составными двутаврами по трудоемкостиизготовления перфорированные балки на 25...35 % эффективнее за счет сокращенияобъема сварки и значительно меньшей трудоемкости операций обработки.
Особенности работы и конструкции балок.Отверстия в стенке меняют картину напряженного состояния в сечениях балки. Еслираспределение нормальных напряжений в поясах балки по середине отверстия близкок линейному, то в угловых зонах у отверстий эпюры нормальных напряжений криволинейны,что вызвано концентрацией напряжений. Некоторая криволинейность эпюрынормальных напряжений σx наблюдается и в зоне перемычки стенки(простенка). В стыковом сечении (4-4) простенка появляются нормальныенапряжения σy. Все это свидетельствует о концентрациинапряжений около отверстий. В большинстве случаев резервы пластичностиматериала достаточны для того, чтобы сгладить влияние концентраторовнапряжений, и на несущую способность балки последние не оказывают заметноговлияния. Однако следует иметь в виду, что при циклических или ударныхвоздействиях, особенно в условиях низких температур, когда развитиепластических деформаций сковано, в углах отверстий могут появиться трещины. Вработе поясных тавров в пределах отверстия имеются свои особенности — онинаходятся под действием поперечных сил, создающих дополнительный изгиб.Предельное состояние пояса характеризуется значительным развитием пластическихдеформаций, пронизывающих у угла отверстия практически все сечение поясноготавра. Простенок балки работает главным образом на сдвиг, и его несущаяспособность, как правило, определяется устойчивостью. В предельном состоянииможет потерять устойчивость и стенка одного из поясных тавров, поскольку онаоказывается сжатой или сжато-изогнутой.
Конструктивные решения балок сперфорированной стенкой отличаются большим разнообразием, определяемымвариабельностью схем разрезки стенки.
Наметив осевую линию разрезки наклонно кполкам после разрезки и разворота одной из половин балки относительно еецентральной вертикальной оси, получают в результате соединения обеих половинбалку с наклонным поясом. Таким путем возможно изготовить балки одно — идвускатные, с уклоном как в верхнем, так и в нижнем поясе. Для упрощенияконструкции иногда в качестве нижнего пояса используется тавр постоянного подлине сечения. Стремление повысить сечение при умеренном ослаблении поясныхтавров и простенков привело к использованию пластинчатых вставок между гребнямисоединяемых частей. Это решение может также оказаться высокоэффективным призначительных пролетах и относительно небольшой нагрузке, особенно в техслучаях, когда требуется повышенная изгибная жесткость по условию предельногопрогиба. Отверстия, снижающие концентрацию напряжений, удается получить прикриволинейных наклонных резах. Разрезку выполняют в этом случае с небольшимиотходами металла. Известно также много других вариантов разрезки стенок,имеющих те или иные частные преимущества.
Наиболее часто применяют перфорированныебалки с регулярной разрезкой и одинаковой высотой поясных тавров (балкисимметричного сечения). Для таких балок очень удобно использовать типовуюпоточную линию, рассчитанную на одновременную синхронную автоматическуюразрезку по копиру двух исходных двутавров. Двутавры закрепляют на специальноммногооперационном манипуляторе, позволяющем после разрезки с помощьюдвухрезаковой машины соединить одинаковые части расчлененных балок между собой,сохраняя фиксацию формы во время сварки и после нее — до остывания готовогоизделия. Это дает возможность избежать коробления от воздействия начальных исварочных напряжений и деформаций. При этом концы балок получаются разными: содной стороны на конце балки создается простенок, а с другой стороны стенкаоказывается открытой. Открытую часть заполняют вставкой из листовой стали. Этотже прием (заполнение отверстия листовой вставкой) применяют иногда и в местахопирания значительных сосредоточенных грузов, когда они расположены надотверстиями. Для усиления стенки под большими сосредоточенными грузами и у опорбалки ставят поперечные либо торцевые опорные ребра.
3.2 Колонны и элементы стержневыхконструкций
Общая характеристика конструкций
Колонна является древнейшей строительнойконструкцией. Более 3000 лет тому назад египтяне вытесывали из камня колонныдля надгробных памятников, а в V в. до н.э. колонна заняла центральное место вколоннадах общественных зданий у древних греков и римлян. Такие колоннывоздвигались исключительно по эмпирическим правилам, заимствованным изокружающего мира.
Научный подход к изучению проблемы работысжатых конструкций был начат в XVIII в., когда Петрус Ван-Мусшенбрук построилустановку для испытаний на сжатие, а Леонард Эйлер получил свою знаменитуюформулу, к которой мы будем неоднократно обращаться. Было установлено, чтонесущая способность центрально-сжатого стержня обратно пропорциональна квадратуего длины, т.е. в два раза более длинный стержень несет в четыре раза меньшуюнагрузку. К сожалению, формула Эйлера, содержащая произвольное целое число,которому в то время не могли найти объяснения, а также слабое соответствие этойформулы экспериментальным данным (как мы сегодня знаем, плохо обоснованным)привели к ее забвению почти на 200 лет. Лишь в конце прошлого века эта формулаполучила всеобщее признание и дальнейшее развитие, которое продолжалось на фонеострых дискуссий до середины нашего столетия. С существом этих дискуссий мыпознакомимся позднее, а сейчас рассмотрим лишь краткую характеристикуконструкций, работающих на сжатие.
Колонны, стойки, стрелы кранов и другиепродольно сжатые конструкции с точки зрения их расчета имеют общие черты сотдельными элементами, входящими в состав других конструкций или стержневыхсистем, например со стержнями ферм, элементами связей и т.п. Это позволяет ихрассматривать в составе одной главы, но с разной степенью детализации. При всеммногообразии такие конструкции имеют общие формальные признаки — все ониработают на сжатие или на сжатие с изгибом, а их длина в 10...20 раз и болеепревышает размеры поперечных сечений. Конструкция состоит из собственно стержняи опорных устройств, технические решения которых зависят от назначенияконструкции и особенностей, узловых сопряжении.
По форме силуэта конструкции могут бытьпостоянного сечения, переменного сечения и ступенчатыми. Изменение сечения подлине позволяет снизить металлоемкость, но незначительно, поэтому такиестержни проектируют из архитектурных соображений либо когда снижение массыприводит к дополнительным эффектам, например в подвижных конструкциях типакрановых стрел.
Типичными представителями сжатыхстержневых конструкций являются колонны и стойки, состоящие из стержня,оголовка, базы, иногда консоли. Оголовок служит для опирания и креплениявышележащих конструкций. База выполняет две функции — распределяет усилие,передаваемое колонной на фундамент, снижая напряжение до расчетногосопротивления фундамента, и обеспечивает прикрепление к нему колонны с помощьюанкерных болтов. На консоли могут опираться подкрановые балки, стеновые панели,технологические коммуникации и т. п.
Мощные стержни типа колонн, стоек,элементов тяжелых ферм выполняют из одиночных широкополочных двутавров илисоставляют их из нескольких прокатных профилей. Составные стержни могут бытьсплошностенчатыми — сплошными — и сквозными.
Последние в свою очередь делят на стержнис безраскосной решеткой, решетчатые и перфорированные. Ветви (пояса)безраскосных стержней объединяют планками из листовой стали, жесткими вставкамиили перфорированными листами. Перфорированные стержни могут быть выполненытакже гнутосварными из зигзагообразно разрезанных листов или из прокатныхпрофилей, которые после предварительной фигурной резки объединяют вкрестообразное сечение. При всей своей привлекательности перфорированныестержни находят ограниченное применение, что связано с дополнительнымиоперациями и необходимостью иметь оборудование для фигурной резки и гибкизаготовок в форме гнутых швеллеров или уголков. При изготовлении стоек изперфорированных прокатных профилей необходимы операции правки, так как послерезки исходного профиля полученные заготовки изгибаются в разные сторонывследствие наличия в исходном металлопрокате остаточных напряжений.
Элементы стержневых конструкций небольшихпоперечных размеров проектируют из круглых или прямоугольных труб, одиночныхлибо спаренных уголков.
По виду напряженного состояния стержниделят на центрально-сжатые, внецентренно сжатые и сжато-изгибаемые. Аналогичнуюклассификацию используют для наименования растянутых элементов.
3.3 Фермы
Общая характеристика и классификация ферм
Фермой называют систему стержней (обычнопрямолинейных), соединенных между собой в узлах и образующих геометрическинеизменяемую конструкцию.
Если нагрузка приложена в узлах, а осиэлементов фермы пересекаются в одной точке (центре узла), то жесткость узловнесущественно влияет на работу конструкции и в большинстве случаев их можнорассматривать как шарнирные. Тогда все стержни фермы испытывают только осевыеусилия (растяжение или сжатие). Благодаря этому металл в фермах используетсяболее рационально, чем в балках, и они экономичнее балок по расходу материала,но более трудоемки в изготовлении, поскольку имеют большое число деталей. Сувеличением перекрываемых пролетов и уменьшением нагрузки эффективность ферм посравнению со сплошностенчатыми балками растет.
Стальные фермы получили широкоераспространение во многих областях строительства: в покрытиях и перекрытияхпромышленных и гражданских зданий, мостах, опорах линий электропередачи,объектах связи, телевидения и радиовещания (башни, мачты), транспортерныхгалереях, гидротехнических затворах, грузоподъемных кранах и т.д.
Фермы бывают плоскими (все стержни лежат водной плоскости) и пространственными.
Плоские фермы могут воспринимать нагрузку,приложенную только в их плоскости, и нуждаются в закреплении из своей плоскостисвязями или другими элементами. Пространственные фермы образуют жесткийпространственный брус, способный воспринимать нагрузку, действующую в любомнаправлении. Каждая грань такого бруса представляет собой плоскую ферму.Примером пространственного бруса может служить башенная конструкция.
Основными элементами ферм являются пояса,образующие контур фермы, и решетка, состоящая из раскосов и стоек.
Расстояние между узлами пояса называютпанелью (d), расстояние между опорами — пролетом (l), расстояние между осями(или наружными гранями) поясов — высотой фермы (hф).
Пояса ферм работают в основном напродольные усилия и момент (аналогично поясам сплошных балок); решетка фермвоспринимает в основном поперечную силу, выполняя функцию стенки сплошнойбалки.
Соединения элементов в узлах осуществляютпутем непосредственного примыкания одних элементов к другим или с помощьюузловых фасонок. Для того чтобы стержни ферм работали в основном на осевыеусилия, а влиянием моментов можно было пренебречь, элементы ферм следуетцентрировать по осям, проходящим через центры тяжести.
В зависимости от назначения, архитектурныхтребований и схемы приложения нагрузок фермы могут иметь самую разнообразнуюконструктивную форму. Их можно классифицировать по следующим признакам: статическойсхеме, очертанию поясов, системе решетки, способу соединения элементов в узлах,величине усилия в элементах.
По статической схеме фермы бывают:балочные (разрезные, неразрезные, консольные), арочные, рамные и вантовые.
В покрытиях зданий, мостах, транспортерныхгалереях и других подобных сооружениях наибольшее применение нашли балочныеразрезные системы. Они просты в изготовлении и монтаже, не требуют устройствасложных опорных узлов, но весьма металлоемки. При больших пролетах (более 40 м)разрезные фермы получаются негабаритными и их приходится собирать из отдельныхэлементов на монтаже. При числе перекрываемых пролетов два и более применяютнеразрезные фермы. Они экономичнее по расходу металла и обладают большейжесткостью, что позволяет уменьшить их высоту. Но как во всяких внешнестатически неопределимых системах, в неразрезных фермах при осадке опорвозникают дополнительные усилия, поэтому их применение при слабых просадочныхоснованиях не рекомендуется. Кроме того, необходимость создания неразрезностиусложняет монтаж таких конструкций. Консольные фермы используют для навесов,башен, опор воздушных линий электропередач. Рамные системы экономичны порасходу стали, имеют меньшие габариты, однако более сложны при монтаже. Ихприменение рационально для большепролетных зданий. Применение арочных систем,хотя и дает экономию стали, приводит к увеличению объема помещения иповерхности ограждающих конструкций. Их применение диктуется в основномархитектурными требованиями. В вантовых фермах все стержни работают только нарастяжение и могут быть выполнены из гибких элементов, например стальныхтросов. Растяжение всех элементов таких ферм достигается выбором очертанияпоясов и решетки, а также созданием предварительного напряжения. Работа толькона растяжение позволяет полностью использовать высокие прочностные свойствастали, поскольку снимаются вопросы устойчивости. Вантовые фермы рациональны длябольшепролетных перекрытий и в мостах. Промежуточными между фермой и сплошнойбалкой являются комбинированные системы, состоящие из балки, подкрепленнойснизу шпренгелем или раскосами, либо сверху аркой. Подкрепляющие элементыуменьшают изгибающий момент в балке и повышают жесткость системы.Комбинированные системы просты в изготовлении (вследствие меньшего числаэлементов) и рациональны в тяжелых конструкциях, а также в конструкциях сподвижными нагрузками. Весьма эффективно применение комбинированных систем приусилении конструкций, например, подкрепление балки, при недостаточной еенесущей способности, шпренгелем или подкосами.
В зависимости от очертания поясов фермыподразделяют на сегментные, полигональные, трапецеидальные, с параллельнымипоясами и треугольные.
Очертание поясов ферм в значительнойстепени определяет их экономичность. Теоретически наиболее экономичной порасходу стали является ферма, очерченная по эпюре моментов. Для однопролетнойбалочной системы с равномерно распределенной нагрузкой это будет сегментнаяферма с параболическим поясом. Однако криволинейное очертание пояса повышаеттрудоемкость изготовления, поэтому такие фермы в настоящее время практически неприменяют.
Более приемлемым является полигональноеочертание с переломом пояса в каждом узле. Оно достаточно близко соответствуетпараболическому очертанию эпюры моментов, не требует изготовления криволинейныхэлементов. Такие фермы иногда применяют для перекрытия больших пролетов и вмостах, т.е. в конструкциях, поставляемых на строительную площадку«россыпью» (из отдельных элементов). Для ферм покрытий обычныхзданий, поставляемых на монтаж, как правило, в виде укрупненных отправочныхэлементов из-за усложнения изготовления эти фермы в настоящее время неприменяют. Вы их можете встретить только в старых сооружениях, построенных до50-х годов.
Фермы трапецеидального очертания, хотя ине совсем соответствуют эпюре моментов, имеют конструктивные преимущества,прежде всего за счет упрощения узлов. Кроме того, применение таких ферм впокрытии позволяет устроить жесткий рамный узел, что повышает жесткостькаркаса.
Фермы с параллельными поясами по своемуочертанию далеки от эпюры моментов и по расходу стали не экономичны. Однакоравные длины элементов решетки, одинаковая схема узлов, наибольшаяповторяемость элементов и деталей и возможность их унификации способствуетиндустриализации их изготовления. Благодаря этим преимуществам фермы спараллельными поясами стали основными для покрытия зданий.
Фермы треугольного очертания рациональныдля консольных систем, а также для балочных систем при сосредоточенной нагрузкев середине пролета (подстропильные фермы). При распределенной нагрузкетреугольные фермы имеют повышенный расход металла. Кроме того, они имеют рядконструктивных недостатков. Острый опорный узел сложен и допускает толькошарнирное сопряжение с колоннами. Средние раскосы получаются чрезвычайнодлинными, и их сечение приходится подбирать по предельной гибкости, чтовызывает перерасход металла. Однако в ряде случаев их применение длястропильных конструкций диктуется необходимостью обеспечения большого (свыше 20%) уклона кровли или требованиями создания одностороннего освещения (шедовыепокрытия).
Системы решетки
Выбор типа решетки зависит от схемыприложения нагрузок, очертания поясов и конструктивных требований. Так, воизбежание изгиба пояса места приложения сосредоточенных нагрузок следуетподкреплять элементами решетки. Для обеспечения компактности узлов угол междураскосами и поясом желательно иметь в пределах 30...50°.
Для снижения трудоемкости изготовленияферма должна быть по возможности простой с наименьшим числом элементов идополнительных деталей.
Треугольная система решетки имеетнаименьшую суммарную длину элементов и наименьшее число узлов. Различают фермыс восходящими и нисходящими опорными раскосами. Если опорный раскос идет отнижнего опорного узла фермы к верхнему поясу, то его называют восходящим. Принаправлении раскоса от опорного узла верхнего пояса к нижнему — нисходящим. Вместах приложения сосредоточенных нагрузок (например, в местах опиранияпрогонов кровли) можно установить дополнительные стойки или подвески. Этистойки служат также для уменьшения расчетной длины пояса. Стойки и подвескиработают только на местную нагрузку.
Недостатком треугольной решетки являетсяналичие длинных сжатых раскосов, что требует дополнительного расхода стали дляобеспечения их устойчивости.
В раскосной системе решетки все раскосыимеют усилия одного знака, а стойки — другого. Так, в фермах с параллельнымипоясами при восходящем раскосе стойки растянуты, а раскосы сжаты; принисходящем — наоборот. Очевидно, при проектировании ферм следует стремиться,чтобы наиболее длинные элементы были растянуты, а сжатие воспринималоськороткими элементами. Раскосная решетка более металлоемка и трудоемка посравнению с треугольной, так как общая длина элементов решетки больше и в нейбольше узлов. Применение раскосной решетки целесообразно при малой высоте ферми больших узловых нагрузках.
Шпренгельную решетку применяют привнеузловом приложении сосредоточенных нагрузок к верхнему поясу, а также принеобходимости уменьшения расчетной длины пояса. Она более трудоемка, но врезультате исключения работы пояса на изгиб и уменьшения его расчетной длиныможет обеспечить снижение расхода стали.
Если нагрузка на ферму может действоватькак в одном, так и в другом направлении (например, ветровая нагрузка), тоцелесообразно применение крестовой решетки. Раскосы такой решетки могут бытьвыполнены из гибких элементов. В этом случае сжатые раскосы вследствие большойгибкости выключаются из работы и решетка работает как раскосная с растянутымираскосами и сжатыми стойками.
В фермах с поясами из тавров можноприменить перекрестную решетку из одиночных уголков с креплением раскосовнепосредственно к стенке тавра.
Ромбическая и полураскосная решеткиблагодаря двум системам раскосов обладают большой жесткостью; эти системыприменяют в мостах, башнях, мачтах, связях для уменьшения расчетной длиныстержней. Они рациональны при большой высоте ферм и работе конструкций назначительные поперечные силы.
Возможна в одной ферме комбинацияразличных типов решетки.
По способу соединения элементов в узлахфермы подразделяют на сварные и болтовые. В конструкциях, изготовленных до 50-хгодов, применялись также клепаные соединения. Основными типами ферм являютсясварные. Болтовые соединения, как правило, на высокопрочных болтах применяют вмонтажных узлах.
По величине максимальных усилий условноразличают легкие фермы с сечениями элементов из простых прокатных или гнутыхпрофилей (при усилиях в стержнях N3000кН).
Эффективность ферм может быть повышена присоздании в них предварительного напряжения.
Из всего многообразия ферм в настоящемпособии рассмотрены только легкие разрезные балочные фермы, имеющие наиболееширокое применение
3.4 Технологические площадки
3.4.1 Общие сведения. Классификация
Площадки предназначены для размещениятехнологического оборудования, организации его обслуживания, ремонта и состоятиз несущих балок, настила, лестниц и ограждения. В зависимости от величиныполезной нагрузки и назначения площадки подразделяют на три группы.
1. Площадки под тяжелое стационарноеоборудование и подвижную нагрузку (рабочая площадка сталелитейных и литейныхцехов, главных корпусов ТЭЦ и т.п.) с полезной нагрузкой р > 20 кН/м2.
2. Ремонтные площадки ходовых колескранов, площадки под транспортеры, трубопроводы, вентиляторы с р =4...20 кН/м2.
3. Посадочные площадки на опорные(мостовые) и подвесные краны, смотровые площадки с полезной нагрузкой р =2,0…4,0 кН/м2.
Площадки первой группы выполняют в видесамостоятельных встроенных в здание сооружений. Такие площадки опираются наотдельные колонны, сетка которых обычно кратна модулю, принятому встроительстве (М = 6 м или реже 3 м). По колоннам устанавливают систему несущихбалок (балочную клетку) и устраивают настил. Геометрическую неизменяемостьтакого встроенного сооружения и его жесткость обеспечивают системойвертикальных связей.
Площадки второй группы обычно выполняют ввиде стального настила из плоской или рифленой стали, подкрепленного снизуребрами жесткости из стальной полосы или уголков. Балки площадок опирают накронштейны, которые в свою очередь крепят к стенам, колоннам, ветровым фермамторцевых стен зданий либо в качестве балок площадки используют подкрановыебалки, к которым крепят рифленый стальной лист. Иногда балки опирают наотдельные колонны, аналогично площадкам первой группы.
Площадки третьей группы чаще всегособирают из унифицированных стальных элементов (балок, настила, лестниц). Балкиэтих площадок крепят, как правило, к основным несущим конструкциям здания(колоннам, стенам, подкрановым балкам, стропильным конструкциям) или кконструкциям технологического оборудования.
В качестве настила применяют листы изплоской или рифленой стали с подкреплением их ребрами жесткости, плиты изсборного железобетона, а также железобетонный настил, выполняемый по опалубкеиз стального гофрированного листа (сталежелезобетонный настил).
Стальной настил в площадках первой группыприменяют, если возможно быстрое разрушение бетона от действия высоких температури больших циклических нагрузок (сталелитейные и литейные цехи).
3.4.2 Балочные клетки
Схемы балочных клеток определяютсярасположением оборудования и типом настила. Выбирают их из условия обеспечениянаименьших затрат металла, бетона и труда на изготовление и монтаж, для чегосхемы балочных клеток применяют с наиболее коротким и простым путем передачинагрузки на колонны или другие опоры.
Балки настила в плане размещают спостоянным шагом по длине поддерживающих их балок (главных или второстепенных),шаг этих балок определяется несущей способностью и жесткостью настила,Необходимо иметь в виду, что при уменьшении шага балок настила толщинапоследнего и суммарный расход материалов на настил к поддерживающие его балкибудут уменьшаться до определенного предела, после которого сечения балок будутопределяться не условиями прочности, а требованиями жесткости, и можетоказаться целесообразным увеличить шаг балок.
Главные балки ориентируют в направлениибольшего шага колонн (продольного или поперечного) и проектируют обычноразрезными. Учитывая значительные пролеты главных балок, составляющие, какправило, 9...12 м и более, их проектируют составного двутаврового сечения счленением при необходимости на отправочные элементы. На монтаже отправочныеэлементы объединяют в единую конструкцию сваркой либо высокопрочными болтами снакладками.
Балки настила проектируют двутаврового илиреже швеллерного сечения. Необходимо иметь в виду, что в площадках с балочнойклеткой нормального и усложненного типов прокатные балки рациональны припролетах до 8...9 м, нагрузках до 10...12 кН/м2 и железобетонномнастиле. Если расстояние между главными балками более 9 м. то экономичнеепереходить на балочную клетку усложненного типа с 2...3 вспомогательнымибалками, которые выполняют двутаврового и таврового сечения или из уголков.
Балки настила можно проектироватьразрезными и неразрезными. Последняя статическая схема удобнее при этажномсопряжении балок (рис. 5.15, в). В плане второстепенные балки размешаются либос постоянным шагом по длине поддерживающих их балок при равномернораспределенной полезной нагрузке, либо с нерегулярным шагом при установке наплощадке стационарного оборудования. Шаг балок настила определяетсяконструкцией настила и величиной полезной нагрузки.
3.4.3 Настилы
В конструкциях технологических площадокприменяют стальные сплошные настилы из плоского или рифленого листа,железобетонные (из сборных плит или монолитной плиты) и сталежелезобетонные
Выбор материала настила и егоконструктивное решение (стационарный или съемный щитовой) выбирают с учетомтехнологического назначения площадки, характера и величины полезной нагрузки,температурно-влажностного режима эксплуатации, агрессивности среды,экономического фактора.
Поверх несущего настила часто устраиваютзащитный настил (асфальтовый или бетонный пол толщиной 40...60 мм на несущемжелезобетонном настиле, деревянный из торцевых брусков — на стальном).
Щиты съемных настилов могут иметь размерыв плане до 3х12 м (для ручного открывания щиты, как правило, имеют меньшиеразмеры и массу не более 75 кг). Щиты состоят из системы второстепенных ивспомогательных балок, стального настила, подкрепленного ребрами жесткости, иукладываются на поддерживающие главные балки. Применение подобногоконструктивного решения повышает степень заводской готовности и снижаеттрудозатраты при монтаже.
Полезную нагрузку на настил принимают потехнологическому заданию, которая может достигать 40 кН/м2;вертикальные относительные прогибы настила не должны превышать требований норм;их увязывают с пролетом настила ln. Так, при ln ≤1,0 м предельный относительный прогиб принимают [ƒ/l] = 1/120;при ln = 3,0 м — 1/150; при ln=6,0м — 1/200.
3.4.4 Лестницы и переходные площадки
Настилы технологических площадок могутрасполагаться в один или несколько ярусов в зависимости от вида оборудования иего высоты. Для доступа обслуживающего персонала к технологическомуоборудованию устраиваются лестницы в виде лестничных маршей или стремянок.
Лестничные марши состоят из косоуров(тетивы), опорных элементов, ступеней, ограждения (перил, стоек) иустанавливаются с углом наклона α = 45° и 60°, который зависит от частотыобслуживания оборудования и наличия свободных площадей для размещения лестниц.При большой частоте использования лестницы принимается угол наклона α =45°. Для последних ширину маршей (расстояние между перилами ограждения)принимают 600, 800 и 1000 мм с шагом ступеней 200 мм. Марши с углом наклона 60°выполняют шириной 600 и 800 мм с шагом ступеней 300 мм. Проектирование лестницпроизводят в соответствии с указаниями типовой серии 1.459-2 «Стальныелестницы, переходные площадки и ограждения».
Тетиву выполняют из холодногнутого профилягн [180х50х4 или прокатных швеллеров N16; 18. Расчетную схему тетивы принимаютв виде однопролетной наклонной балки при одномаршевой лестнице илимногопролетной балки ломаного очертания при двух- и более маршевой прямойлестнице. Косоуры работают на поперечный изгиб от массы металлоконструкцийлестниц и полезной нагрузки, которая в соответствии с указаниями нормпринимается в виде вертикальной сосредоточенной силы Рн = 1,5 кН,расположенной на площадке длиной 10 см по середине пролета косоура.Относительный прогиб марша не должен превышать 1/150 придлине лестницы 3 м и 1/120 при длине 6 м. Коэффициентнадежности по нагрузке принимают равным 1,2.
Ступени лестниц изготовляют из стальноголиста: гнутые из рифленой стали t=4 мм, гнутые из просечно-вытяжного листа сотгибом подступенка из непросеченной части листа, ребристые из полос 40х4 илиарматурной стали 16...20 мм с подступенком из прокатного уголка 1,50х5 и изштампованных профилированных элементов швеллерного сечения. Все типы ступенейизготовляют шириной 200 мм. Переходные площадки применяют при высоте лестницh> 6 м и при устройстве поворотов лестничных маршей. Ширину площадокназначают равной ширине марша. Длину площадок (пролет между опорами) принимаютв зависимости от полезной нагрузки в пределах 600...6000 мм: при длине600...2400 мм, кратной 300 мм, более 2400 мм — кратной 600 мм. Переходныеплощадки состоят из стального настила (применяют тот же материал, что и дляступеней маршей), ребер жесткости и балок площадки. Настил приваривают кпродольным балкам.
Переходные площадки крепят к стенам иколоннам каркаса здания или несущим элементам технологического оборудованиякронштейнами и консольными балками.
Высоту перил принимают равной 900 мм, шагстоек — 600...1000 мм. Поручни и стойки перил можно выполнять из специальногогнутого стального профиля 50х40х12х2,5, из прямоугольной трубы 60х40х2,5,квадратной 40х40х2,5 или из равнополочных уголков 45х4, 50х5; промежуточнуюгоризонтальную распорку выполняют из уголка 25х3 или полосы 40х4.
Поручни рассчитывают как многопролетнуюбалку, опорами которой служат стойки перил, на горизонтальную распределеннуюнагрузку интенсивностью рп = 0,8 кН/м, если же технологическаяплощадка предназначена для непродолжительного пребывания людей (например,посадочная площадка на мостовой кран), то расчет перил ведут на горизонтальнуюсосредоточенную нагрузку интенсивностью Pп = 0,8 кН. Стойки перилрассчитывают как консольные элементы, загруженные сосредоточеннойгоризонтальной нагрузкой, равной отпору поручня перил. Предельный относительныйпрогиб перил не должен превышать 1/150 их пролета и 1/120 — для стоек. Коэффициент надежности по нагрузке при расчете элементов перилназначают равным 1,2.
Стремянки применяют в тех случаях, когданевозможно или нецелесообразно ставить лестницы из-за их редкого использования(например, подъем одного рабочего один-два раза в смену). Угол наклонастремянок принимают равным 90°. ширину 600 мм и высоту от 2400 до 6000 мм.Стремянки состоят из тетивы, ступеней и ограждения. Тетиву изготовляют обычноиз 75х6, к пей приваривают ступени из прутка 18 мм с шагом 300 мм.
Список литературы
Стрелецкий Н. С., Стрелецкий Д. Н.,Проектирование и изготовление экономичных металлических конструкций, М., 1964(Материалы к курсу металлических конструкций, в.4);
Мельников Н. П., Металлические конструкцииза рубежом, М., 1971; Строительные нормы и правила, ч. 2, раздел В, гл. 3.
В.Г. Микульский. Г.И.Горчаков.Строительные материалы. АВС 2002г.