Металлические конструкции

1. Российская открытая академия транспорта Московского государственного университета путей сообщения МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ (включая с

Российская открытая академия транспорта
Московского государственного университета путей сообщения
МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ
(включая сварку)
лекции
1

2.

2

3.

3

4.

4

5.

5

6.

6

7.

7

8.

Нормативные документы по металлическим конструкциям
8

9.

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

10.

1
0

11.

Относительная легкость конструкции из различных материалов
c = ρ/Ry
1
1

12.

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

13.

1
3

14.

1
4

15.

1
5

16.

1
6

17.

1
7

18.

1
8

19.

1
9

20.

2
0

21.

2
1

22.

2
2

23.

2
3

24.

2
4

25.

2
5

26.

2
6

27.

2
7

28.

2
8

29.

2
9

30.

3
0

31.

3
1

32.

3
2

33.

3
3

34.

3
4

35.

3
5

36.

3
6

37.

3
7

38.

3
8

39.

3
9

40.

4
0

41.

4
1

42.

4
2

43.

4
3

44.

4
4

45.

4
5

46.

4
6

47.

4
7

48.

4
8

49.

4
9

50. Классификация нагрузок и воздействий: ПОСТОЯННЫЕ ВРЕМЕННЫЕ ДЛИТЕЛЬНЫЕ КРАТКОВРЕМЕННЫЕ ОСОБЫЕ

СОЧЕТАНИЯ НАГРУЗОК:
ОСНОВНЫЕ и ОСОБЫЕ
5
0

51.

Сортамент
это каталоги ассортимента, поставляемых металлургическими
заводами листов и фасонных профилей с указанием их формы,
размеров, геометрических характеристик, массы и оформленные
в виде государственных стандартов
Профили стальные
по способу
изготовления
Прокатные
Листовая
сталь
Гнутые
Сварные
Фасонные
профили
5
1

52.

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

53.

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

54.

Строительные стали
По содержанию
легирующих
компонентов
Углеродистые
Легирующих
элементов
нет
Низко
легированные
Легирующих
элементов
до 2,5%
Средне
легированные
Легирующих
элементов
до 10%
Высоко
легированные
Легирующих
элементов
более 10%
Углеродистая сталь
Низкоуглеродистая
С до 0,25%
Среднеуглеродистая
С до 0,6%
Высокоуглеродистая
С до 0,25%
По степени
раскисления
кипящая
полуспокойная
спокойная
5
4

55.

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

56.

Физико-механические свойства стали
Первый закон Гука = Е·
Для стали E = tg = 2,06·105 МПа =
2,06·104 кН/см2
коэффициент пропорциональности
- модуль продольной
деформации или модуль Юнга
Для алюминия Ea = 0,71·105 Мпа
Второй закон Гука = G·
G = 0,5E / (1+ )
= 0,3 коэффициент поперечной
линейной деформации –
коэффициент Пуассона
Диаграмма Прандтля
56

57.

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

58.

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

59.

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

60.

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

61.

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

62.

Расчет металлических конструкций
Нагрузки и воздействия
Основные сочетания - постоянные, временные длительные и кратковременные
нагрузки и воздействия.
Особые сочетания - постоянные, временные длительные, кратковременные
нагрузки и воздействия + одна из особых нагрузок.
Малая вероятность одновременного воздействия нескольких нагрузок максимальной
расчетной величины учитывается коэффициентом сочетания ψ ≤ 1,0.
Для временных длительных нагрузок ψ1 = 0,95 , для кратковременных ψ2 = 0,9.
В особых сочетаниях ψ1 = 0,95 , а ψ2 = 0,8, при этом особую нагрузку принимают без
снижения. Для сейсмических районов значения коэффициентов сочетаний установлены
в специальных нормах.
62

63.

Расчет металлических конструкций
Нагрузки и воздействия
Для учета класса ответственности зданий и сооружений значения нагрузок и воздействий следует
умножать на коэффициенты надежности по назначению (ответственности) n.
Здания и сооружения по степени ответственности, которая определяется размером материального
и социального ущерба при отказе, делят на три класса (уровня):
Класс I. Основные здания и сооружения объектов, имеющих особо важное хозяйственное и (или)
социальное назначение, - главные корпуса ТЭС, АЭС, центральные узлы доменных печей, дымовые
трубы высотой более 200 м, телевизионные башни, резервуары для нефти и нефтепродуктов
вместимостью свыше 10 тыс. м3, крытые спортивные сооружения с трибунами, здания театров,
кинотеатров, цирков, крытых рынков, учебных заведений, детских дошкольных учреждений, больниц,
родильных домов, музеев, государственных архивов и т. п. - n = 1,0.
Класс II. Здания и сооружения объектов, имеющих ограниченное хозяйственное и (или)
социальное значение (объекты промышленного, сельскохозяйственного, жилищно-гражданского
назначения и связи, не вошедшие в I и III классы) - n = 0,95.
Класс III. Здания и сооружения объектов, имеющих ограниченное хозяйственное и (или)
социальное значение, склады без процессов сортировки и упаковки для хранения
сельскохозяйственных продуктов, удобрений, химикатов, угля, торфа и др., теплицы, парники,
одноэтажные жилые дома, опоры проводной связи, опоры освещения населенных пунктов,
временные здания и сооружения, ограды и т. п. -
n = 0,9.
63

64.

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

65.

Расчет металлических конструкций
Нормативные и расчетные сопротивления стали
За предельное сопротивление материала для сталей, имеющих площадку текучести, принимается
значение предела текучести.
Значения предела текучести и временного сопротивления, установленные в нормах, называется
соответственно нормативным сопротивлением по пределу текучести Ryn и нормативным
сопротивлением по временному сопротивлению Run.
Основной расчетной характеристикой стали является расчетное сопротивление, определяемое
делением нормативного сопротивления на коэффициент надежности по материалу
Ry = Ryn / m; Ru = Run / m
При поставке сталей по ГОСТ 27772-88 для всех сталей кроме С590 и С590К m = 1,025. При
поставке стали по ГОСТ 370-93 и ГОСТ 19281-89 (с изменениями), а также для сталей С590 и С590К
по ГОСТ 27772-88 m =1,05.
При расчете конструкций с использованием расчетного сопротивления, установленного по
временному сопротивлению, учитывают повышенную опасность такого состояния путем введения
дополнительного коэффициента надежности m =1,3.
65

66.

Расчет металлических конструкций
Нормативные и расчетные сопротивления стали
66

67.

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

68. Примеры расчета металлических конструкций гражданских и промышленных зданий

69. Расчет балочных конструкций

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

70. Схема балочной клетки

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

71.

Нагрузка на перекрытие обычно принимается равномерно
распределенной.
В рассматриваемых примерах равномерно распределенная
нагрузка на перекрытие, включая собственный вес конструкций,
составляет q0 = 5,0 кН/м2 , коэффициенты надежности по
нагрузкам учтены.