Металлические конструкции

1. Составитель Н. А. ДЬЯКОВА ОСНОВЫ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ РАЗДЕЛ 3. МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ МАТЕРИАЛ К ЛЕКЦИОННОМУ КУРСУ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«КУЗБАССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
имени Т. Ф. ГОРБАЧЕВА»
Составитель Н. А. ДЬЯКОВА
ОСНОВЫ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
РАЗДЕЛ 3. МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ
МАТЕРИАЛ К ЛЕКЦИОННОМУ КУРСУ
Рекомендовано учебно-методической комиссией направления 08.03.01
«Строительство» в качестве электронного издания для использования
в учебном процессе
Кемерово 2016

2. Рецензенты: Хозяинов Б. П. – доцент кафедры строительных конструкций, водоснабжения и водоотведения, кандидат технических наук Угляница А.

В. – председатель учебно-методической комиссии направления 08.03.01
«Строительство»
Дьякова Наталья Александровна
Основы строительных конструкций. Раздел 3. Металлические конструкции : материал к
лекционному курсу [Электронный ресурс]: для студентов направления 08.03.01 «Строительство»,
образовательная программа «Водоснабжение и водоотведение», всех форм обучения / сост. Н. А.
Дьякова; КузГТУ. – Электрон. дан. – Кемерово, 2016. – Систем. требования : Pentium IV; ОЗУ 8 Мб
; Windows XP; мышь. – Загл. с экрана
Целью работы является оказание помощи студентам при самостоятельном изучении
дисциплины «Основы строительных конструкций».
КузГТУ, 2016
Дьякова Н. А., составление, 2016

3. МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ

4. ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ

1. Промышленные
большепролетные здания (30 м
и более) большой высоты
с кранами большой
грузоподъемности

5.

2. Общественные большепролетные
здания (спортивные и выставочные
залы, рынки, павильоны)

6.

3. Производственные здания
из легких типовых несущих
конструкций (ангары, гаражи,
навесы)

7.

г. Уфа. 90-метровый высотный
жилой дом
4. Жилые здания разной этажности

8.

Манхэттен, район Трайбек, проект 57-этажного жилого дома

9.

Жилые дома усадебного
типа на основе
металлического каркаса

10.

5. Реконструкция жилых
и общественных здания

11.

Мост через Иртыш
6. Строительство мостов
больших пролетов

12.

г. Колбрукдейл, Англия
1779 г.
г. Эдинбург, Шотландия, 1890 г.

13.

Детали, узлы и соединения мостов

14.

7. Строительство башенных
сооружений

15.

8. Строительство резервуаров, трубопроводов

16.

Строительство сооружений химического производства
и нефтепереработки

17.

9. Разработка архитектурных форм
и элементов декора

18.

19. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ

Сталь – это сплав
железа
с углеродом.

20.

Сталь имеет кристаллическую решетку и состоит в
основном из зерен феррита с включением перлита. Эти
составляющие определяют работу стали под нагрузкой.

21.

Содержание примесей в сталях:
присутствуют в составе руды (неизбежные)
- кремний и марганец (увеличивают предел
текучести и временное сопротивление стали, снижая ее
пластические свойства);
Марганец
Кремний

22.

- фосфор и сера (уменьшают прочностные
характеристики, влияют на хрупкость, делая сталь
хладноломкой и склонной к образованию трещин)
Ферро фосфор
Сера

23.

Содержание примесей в сталях:
легирующие компоненты (добавленные)
- ванадий, молибден, титан,
вольфрам (улучшают механические свойства
стали: структуру, коррозионную стойкость).
Никель
Алюминий
Медь

24. КЛАССИФИКАЦИЯ СТАЛЕЙ

Стали классифицируются:
1. По применению:
I класс – строительная сталь (малоуглеродистая <
0,25%, хорошо сваривается (трубы, арматура, заклепки);
II класс – конструкционная сталь (строительные
конструкции, детали машин);
III класс – инструментальная сталь
(высокоуглеродистая > 0,7%, отличается высокой
прочностью и твердостью);
IV класс – сталь с особыми свойствами (магнитные,
жаропрочные, нержавеющие).

25.

2. По содержанию легирующих компонентов (л.к.):
углеродистые – л.к. специально не вводятся;
низколегированные – суммарное содержание л.к.
до 2,5%;
среднелегированные – л.к. 2,5…10%
высоколегированные – л.к. более 10%.

26.

3. По способу производства:
в мартеновских печах;

27.

в кислородных
конвертерах;

28.

в электросталеплавильной печи.

29.

4. По степени раскисления:
спокойные;
полуспокойные;
кипящие.
Раскисление – это процесс удаления
кислорода из жидкой стали.

30. КЛАССЫ И МАРКИ СТАЛЕЙ

Класс стали принимается по ГОСТ 27772-88 «Прокат
для строительных стальных конструкций». Класс стали
принимается в зависимости от расчетной температуры
воздуха и групп конструкций. Например: класс С235:
- С - сталь;
- 235 - предел текучести стали (МПа).
Каждый класс содержит несколько марок, которые
обозначаются буквенно-цифровым способом:

31.

Маркировка сталей:
малоуглеродистые стали
ВСт3кп5, АСт3сп6, 18пс
- А, В – категория стали, гарантирующая механические
свойства, гарантирующая механические свойства и
отдельные свойства по химическому составу;
-18 – содержание углерода до 0,18 %;
- Ст3 – содержание углерода до 0,22 %;
- кп – кипящая сталь, сп – спокойная;
- 5 или 6 – категории стали.

32.

легированные
стали
09Г2, 12Г2С3, 10ХСНД
- 09, 12, 10 – содержание углерода до 0,09%; 0,12% и 0,1%
соответственно;
-Г2 – содержание марганца до 2%;
- С3 – содержание кремния до 3%;
- Х – хром, Н – никель, Д – медь.

33. СОРТАМЕНТ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ

Это каталог профилей, поставляемых металлургическими
заводами. В строительных конструкциях применяются
следующие профили:
- толстолистовая и универсальная сталь 4…60 мм,длиной
до 12 метров (применяется для стенок и полок сплошных
балок, колонн и других конструкций);

34.

- тонколистовая сталь 0,2…3,9 мм длиной до 5 метров
(кровли, настилы);
- стальной профилированный настил, сталь волнистая
(кровли, стеновое ограждение);

35.

Профили создаются в заводских условиях на специальных
автоматизированных линиях
при помощи системы валков.

36.

- рифленая, просечная сталь (рабочие площадки,
ступени лестниц);
Просечная сталь

37.

Рифленая сталь

38.

- фасонный прокат (уголки равнополочные и
неравнополочные, двутавры, тавры и швеллеры, трубы).
Швеллер
Уголок неравнополочный

39.

Высота прокатного элемента в сантиметрах соответствует
номеру проката (применяются для всех видов конструкций)
Труба
Двутавр

40.

сварные профили (элементы профиля соединяются
автоматической сваркой, например: у сварного двутавра
полки и стенка соединены сваркой).

41.

гнутые профили имеют такие же формы, что и у
фасонных профилей.

42. СОЕДИНЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ

Болтовые и заклепочные
(основаны на принципе
механического соединения)
Сварные, паяные и клееные
(основаны на принципе
диффузного соединения)

43.

Болтовые и заклепочные
Сварные, паяные и клееные

44. СВАРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

Преимущества:
низкая металлоемкость
(сечение не ослабляется
отверстиями);
малая трудоемкость
(применение автоматических
видов сварки);
обеспечение
непроницаемости соединения.

45.

Недостатки:
сварной шов является концентратором напряжения
(после остывания остаточные напряжения делают место
шва наиболее хрупким);
выделение вредных газов (при масштабных работах эти
газы требуется отводить);
высокая квалификация рабочих (для получения
качественных сварных швов – наиболее ответственное
место).

46.

В зависимости от взаимного расположения
свариваемых элементов различают соединения:
- стыковые;
- угловые;
- тавровые
- нахлесточные.

47.

Для обеспечения качественной стыковой сварки кромки
скрепляемых деталей обрабатываются в зависимости
от их толщины и вида сварки:

48.

Для сварки конструкций применяются:
ручная электродуговая сварка (наиболее
трудоемкий вид, ручной, соединения получаются более
низкого качества, но распространены за счет своей
универсальности: может производиться в любом
положении и в труднодоступных местах);

49.

автоматическая сварка (выполняется автоматом
с подачей сварочной проволоки, обеспечивается
глубокое и качественное проплавление деталей);

50.

Сварка колец
тонкостенных бункеров
Аппарат для сварки газопровода
под водой
Сварочные автоматы для возведения и монтажа
уникальных сооружений

51. БОЛТОВЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

Преимущества:
экономичность (не требует дорогостоящего и сложного
оборудования.
несложный монтаж (простота в установке);
надежность.
Недостатки:
ослабление сечения (отверстия под болты);
большая металлоемкость (имеют стыковые накладки).

52.

Болты подразделяются на обычные (грубой, нормальной
и повышенной точности) и высокопрочные. Отверстия
под болты выполняются продавливанием или
сверлением.
Размеры болтов и отверстий устанавливаются классом
точности монтажа конструкций.

53.

Заклепки применяются для соединения элементов тяжелых
конструкций (водонапорных башен, бункеров и т.д.) и
легких деталей и элементов (ограждающие конструкции,
элементы фасадов).

54.

Виды заклепок

55.

Болтовые соединения соединяются:
а) внахлестку
б) встык с накладками

56.

Основной вид работы болтовых и заклепочных соединений
– это работа на сдвиг. Соединения могут разрушаться:
от перерезывания стержней болтов по плоскостям среза;
от смятия поверхностей отверстий соединяемых
элементов.

57.

Расчет болтовых соединений ведется двумя способами:
расчет по усилию (ведется из условий прочности болтов
на срез стержня болта или смятие металла соединяемых
элементов, т.е. определяется количество болтов, которое
требуется для заданного соединения).
Расчетное усилие, которое может воспринимать один болт,
определяется:
- при срезе Nbs=Rbs∙Ab∙ns∙ b,
-
при смятии металла Nbp=Rbp∙db∙ t∙ b,
где Rbs, Rbp – расчетные сопротивления болтов на срез
и смятие соответственно;

58.

Ab – площадь сечения стержня болта;
db – наружный диаметр болта, см;
ns – количество сечений срезов одного болта;
t– наименьшая суммарная толщина соединяемых
элементов.
Число болтов в соединении определяется по формуле
n N Nmin
Nmin – наименьшее из значений расчетных усилий.

59.

расчет по площади (подбор площади сечения болтов,
в зависимости от заданной нагрузки). Выполняется
в том случае, если известно расчетное усилие
по прочности болтов на срез.
Необходимая площадь сечения болтов в соединении
определяется
Ab = Nbs Rbs∙ns∙ b,
При известной по ГОСТу площади одного болта (см2)
определяется требуемое количество болтов.

60.

Болты в соединении располагаются по прямым линиям
— рискам, параллельным действующему усилию.
Расстояние между двумя смежными рисками
называется дорожкой, а расстояние между двумя
смежными по риске болтами — шагом.

61. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О БАЛКАХ

Стальные балки широко применяются в инженерных
конструкциях зданий и сооружений:
для покрытий и междуэтажных перекрытий зданий;

62.

рабочих площадок и конструкций подкрановых балок
производственных зданий;

63.

в конструкциях мостов
и эстакад;

64.

в конструкциях
гидротехнических
сооружений: затворов,
шлюзов и т. д.

65.

Основная форма поперечного сечения стальных
балок – двутавр, который применяется прокатным или
составным.
Составные
балки
применяются,
оказываются недостаточно мощными.
если
прокатные

66.

Наиболее распространенными являются сварные
балки, образуемые из трех листов: вертикального,
называемого стенкой и двух горизонтальных, называемых
полками, которые привариваются к стенке.
Полка
Стенка

67. БАЛКИ И БАЛОЧНЫЕ КЛЕТКИ

Балочной
клеткой
называется
конструкция
перекрытия или покрытия, которая состоит из системы
балок, расположенных в двух направлениях.
Колонна
Главная балка
Второстепенная балка
Балочная клетка состоит из главных балок,
перекрывающих больший пролет, второстепенных балок и
настила.

68.

В качестве настила балочной клетки используются
металлические
листы
(рабочие
площадки
цехов),
железобетонные плиты (пустотные или ребристые) или
монолитное железобетонное перекрытие.

69.

металлические листы (рабочие площадки цехов);

70.

железобетонные
плиты (пустотные или ребристые)

71.

монолитное железобетонное перекрытие выполняется по
несъемной опалубке из профилированного настила.
Армирование перекрытия:
- отдельными стержнями;
- плоскими
каркасами.

72.

Расположение второстепенных балок в балочных
клетках решается несколькими способами:
- этажное (отметка верха второстепенных балок выше
отметки верха главных балок);
пониженное
(отметка
верха второстепенных балок
ниже отметки верха главных
балок);
- в одном уровне
с
главными балками.

73. СТАЛЬНЫЕ КОЛОННЫ

Колонны являются одним из основных элементов
каркасов производственных зданий. В зависимости от
высоты и пролета здания, наличия подъемно-транспортного
оборудования, стальные колонны различаются на:
сплошные постоянного сечения (а);
сплошные переменного сечения (б);
решетчатые (в, г);
раздельные (д).

74. СЕЧЕНИЯ СТАЛЬНЫХ КОЛОНН

сплошные прокатные и сварные;
сплошные составные (из сварных и прокатных
элементов);

75.

сквозные;
открытые и закрытые.

76. ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ СТАЛЬНЫХ КОЛОНН

Основные элементы колонн:
оголовок – это поверхность, на которую опираются
вышележащие конструкции (стропильные конструкции
покрытия). Состоит из опорной плиты толщиной 15…25 мм
и ребер жесткости, которые прикрепляются угловыми
сварными швами.

77.

база – это конструкция, которая служит для крепления
колонны к фундаменту и обеспечивает равномерное
распределение нагрузки. Состоит из опорной плиты,
к которой приваривается колонна. Размеры плиты
определяются из условия прочности бетона фундамента
(местное сжатие или смятие). Площадь плиты
определяются по формуле A = N Rb.

78.

Конструкция базы бывает двух типов:
с траверсой (10…20 мм)
с фрезерованным торцом колонны.

79.

Плита соединяется с фундаментом при помощи анкерных
болтов 20…30 мм.

80. СТАЛЬНЫЕ ФЕРМЫ

81. ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ СТАЛЬНЫХ ФЕРМ

Ферма – это конструкция, состоящая из отдельных
стержней, которые соединяются в узлах и образуют
геометрически неизменяемую систему. Проектируются
плоскими и пространственными.
Основными элементами фермы являются верхний и
нижний пояс, которые соединяются между собой решеткой
(раскосов и стоек).

82. ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ СТАЛЬНЫХ ФЕРМ

Фермы широко применяются в разных отраслях
промышленности, что связано с универсальностью
неизменяемой системы:
опорные линии электропередач;

83.

Опоры ЛЭП в виде
одушевленных фигур
на лыжных трассах
Адлер-Сочи

84.

мосты и
эстакады;

85.

подъемные
краны.

86. ПОКРЫТИЯ ЗДАНИЙ ПО СТАЛЬНЫМ ФЕРМАМ

В строительстве фермы применяются как
конструкции покрытия (стропильные конструкции).
Схемы покрытия:
балочные несущие конструкции – прогоны
(швеллер, двутавр) и легкий кровельный ковер (сэндвичпанели, профилированный лист);

87.

Сэндвич-панель настила заводской готовности
Фрагмент крепления балочного покрытия к стропильной ферме

88.

железобетонные крупноразмерные плиты
покрытия, совмещающие функции прогонов и настила.

89. ТИПЫ ФЕРМ ПО ОЧЕРТАНИЮ РЕШЕТКИ

Очертания решеток ферм:
а) сегментная;
б) треугольная
в) трапецоидальная;
г) с параллельными
поясами.

90. КОНСТРУИРОВАНИЕ ФЕРМ

Сечения элементов ферм принимаются сплошными:
спаренные или одиночные уголки, тавры;
трубы или гнутосварные замкнутые профили.

91.

Стержни ферм из труб стыкуются
без дополнительных элементов (рис. а), стержни решетки
из прокатных элементов соединяются с поясами
при помощи фасонок – соединительных пластин (рис. б).
Фасонка

92.

Прокатное соединение
Наличие соединительных
элементов (фасонок) и
соединений увеличивает
металлоемкость фермы
Трубчатое соединение
Сложная стыковка и обрезка
труб под нужным углом
затрудняет изготовление
фермы