3.3. Металлические конструкции.

3.3.1.Металлические конструкции. Классификация строительных сталей - по прочности, химическому составу, степени раскисления.

Металлические конструкции нашли широкое применение в различных зданиях, и сооружениях. Это обусловлено следующими достоинствами МК:1)одинаково хорошая работа на раст. и сж., высокая надежность работы. 2) возможность предавать Ме различные св-ва. Значительная легкость конструкций. Легкость конструкции определяется коэффициентом конструкционного качества с=или К отношению плотности материала к расчетному сопротивлению чем меньше с тем относительно легче конструкция.3) высокая скорость монтажа и производства4) высокая индустриальность изготовления. 5)непроницаемость (высокая плотность) При этом есть и недостатки:1)коррозия . методы борьбы: а)исп-е МК в местах, где коррозия развивается медленно(сухие помещ). б) использование коррозионно-стойкой стали; в) защита МК (покраска, бетонирование) 2) малая огнестойкость ( при 300-400⁰ сущ-но сниж деф-ые и прочностные) Борьба: а) защита МК бетонном; б) окраска специальными составами (вспучивается и затрудняет доступ высоких t).

Продолжение 3.3.1

-классы сталей по прочности

По степени раскисления стали могут быть: кипящими, полуспокойными, спокойными. Сталь раскисляется введением кремния или алюминия. Нераскисленные стали кипят при разливке вследствие выделения газов-это кипящая сталь, более засоренная газами и менее однородная. Кипящие стали имеют достаточно хорошие показатели по пределу текучести, и временному сопротивлению, но хуже сопротивляются хрупкому разрушению и старению. Раскисленные стали не кипят при разливке, наз-ся спокойными. Спокойная сталь более однородна, лучше сваривается, лучше сопротивляется динамическим воздействиям и хрупкому разрушению. Но дорогие. Чаще применяются полуспокойные. Являются по характеристикам промежуточным видом между кипящей и спокойной.

Продолжение 3.3.1

3.3.2. Нормирование строительных сталей согласно стандартам (ГОСТам). Марки сталей. Их расшифровка.

Качество стали, применяемой при изготовлении металличеких конструкций, определяется ее механическими свойствами: сопротивлением статическим воздействиям – временным сопротивлением и пределом текучести при растяжении; сопротивлением динамическим воздействиям и хрупкому разрушению – ударной вязкостью при различных температурах; показателями пластичности – относительным удлинением сопротивлением расслоению – загибом в холодном состоянии. Значения этих показателей устанавливаются ГОСТ. Кроме того, качество стали определяется ее свариваемостью, которая гарантируется соответствующим химическим составом стали и технологией ее производства. СНиП п.2.

В зависимости от вида конструкций и условий их эксплуатации к стали, из которой они изготовляются, предъявляются те или иные требования, которые нормированы и записаны в ГОСТ 380-71*. В зависимости от предъявяляемых требований углеродистая сталь разделена на шесть категорий. Согласно ГОСТ 380-71*, маркировка стали производится так: вначале ставится соответствующее буквенное обозначение группы стали, затем марка, далее способ раскисления и в конце категория, например сталь группы В (поставляемой по механическим свойствам и химическому составу) марки Ст3 полуспокойная, категории 6 имеет обозначение ВСт3пс6.

1) спокойные стали, т. е., полностью раскисленные; такие стали обозначаются буквами "сп" в конце марки (иногда буквы опускаются); 2) кипящие стали - слабо раскисленные; маркируются буквами "кп"; 3) полу спокойные стали, занимающие промежуточное положение между двумя предыдущими; обозначаются буквами "пс". Сталь обыкновенного качества подразделяется еще и по поставкам на 3 группы: 1) сталь группы А поставляется потребителям по механическим свойствам (такая сталь может иметь повышенное содержание серы или фосфора); 2) сталь группы Б - по химическому составу; 3) сталь группы В - с гарантированными механическими свойствами и химическим составом. Стали обыкновенного качества обозначают буквами "Ст" и условным номером марки (от 0 до 6) в зависимости от химического состава и механических свойств. Чем выше содержание углерода и прочностные свойства стали, тем больше её номер. Буква "Г" после номера марки указывает на повышенное содержание марганца в стали. Перед маркой указывают группу стали, причем группа "А" в обозначении марки стали не ставится. Для указания категории стали к обозначению марки добавляют номер в конце соответствующий категории, первую категорию обычно не указывают. Качественные стали маркируют следующим образом: 1) в начале марки указывают содержание углерода цифрой, соответствующей его средней концентрации; а) в сотых долях процента для сталей, содержащих до 0,65% углерода; б) в десятых долях процента для индустриальных сталей, которые дополнительно снабжаются буквой "У": 2) легирующие элементы, входящие в состав стали, обозначают русскими буквами: А – азот, К – кобальт, Т – титан, Б – ниобий, М – молибден, Ф- ванадий, В – вольфрам, Н – никель, Х – хром, Г – марганец, П – фосфор, Ц – цирконий, Д – медь, Р – бор, Ю – алюминий, Е – селен, С – кремний, Ч - редкоземельные металлы. Если после буквы, обозначающей легирующий элемент, стоит цифра, то она указывает содержание этого элемента в процентах. Если цифры нет, то сталь содержит 0,8-1,5% легирующего элемента, за исключением молибдена и ванадия (содержание которых в солях обычно до 0,2-0,3%), а также бора (в стали с буквой Р его должно быть не менее 0,0010%). Примеры: Р6М5К5-быстрорежущая сталь, содержащая 6,0% вольфрама 5,0% молибдена 5,0% кобольта. Ст1кп2 - углеродистая сталь обыкновенного качества, кипящая, № марки 1, второй категории, поставляется потребителям по механическим свойствам (группа А).

3.3.3. Механические характеристики стали. Нормативные и расчетные сопротивления

Определяют опытным путем на стандартном оборуд-ии и стандарт

образцах. Нагр приклад по оси. Строят диаграмму зависимости  от .

l₀ – размер базы,  =l₁-l₀- абс. удлинение базы

 = / l₀ – относительное удлинение (%).

 =[е.о.д.] (единиц относительной деформации).

=P/A

Для мягких сталей

ОА-напряж прямо пропоруц деф-м. проявляются только упругие деф-ции. справедлив закон Гука  = Е. MaX напряж на этом участке пц –предел пропорциональности Е=tgα-модуль упругости Юнга Е = 2,110⁶ (кгс/см²) АВ-линейная зависимоть нарушается, но сущ-ют только упругие деформации. ВС-рост деформаций происх без увел нагр. Гор-ый участок наз-ся-пдощадка текучести. МАХ напряж _т –Физический предел текучести.наблюдаются пластич деф-ции. СD-зона упрочнения-напряж концентр в слабом месте.Происх местное сужение-шейка. МАХ напряж пр– предел прочности или временное сопротивление. ДК-нагр падает, диаметр шейки ум-ся. В самом тонком месте под углом 45 об-ся трещина и происх разруш в точке К. Конечная прочность р-прочность при разрушении Для высокоуглеродистой стали

Н

За условные придедел пропорциональности и условный придел текучести принимаются такие уровни напряжений, при к-х величена остаточных деформаций составляет 0,02% и 0,2%

При сжатии сталь ведет себя также как при растяжении

Ударная вязкость – склонность стали к хрупкому разрушению. Величина, обратная ударной вязкости называется хрупкостью. За предел хрупкости или ударной вязкости принимается величина удельной работы (Дж/см2), совершаемой грузом при падении на стандартный образец в момент его разрушения. Порок хладноломкости и красноломкости называется температура при которой величина ударной вязкости снижается до 30 Дж/см².

-нормативные и расч сопр мат-ов Нормативные и расчетные хар-ки стали по первому уровню ограничиваются по физическому или условному пределу текучести R_yn. Если работа констр допустима при развитии значит пластич деф (трубопроводы), то за предельное сопр м.б. принято значение врем сопр-я R_un (второй уровень). За нормативное значение стали растяжению, сжатию, изгибу приним знач физич или условного предела текучести с обеспеченностью 0,95. Табл.1 СНиП, табл. 2 СНиП Расчетные сопротивления материала_R, определяют делени­ем нормативного сопротивления на коэффициент надежности по ма­териалу . - учитывает оставшиеся 5%. Зависит от способа изг стали(ГОСТ). Расч сопр всегда меньше нормат, т.к

3.3.4. Виды сварных соединений и сварных швов.

Сварка- способ получения неразъемного соединения при помощи создания межмолекулянных связей.

В иды сварных соед: 1.стыковые

2 .Внахлестку в кот пов-ти свар эл-ов частично нах др на др. п.12.8 д)

3 . угловые соед - свариваемые элементы расположены под углом.

4.тавровые

5. комбинированные

По полож-ю в простр-ве швы:1)гориз. шов 2)верт.шов3) потолочн4) нижний. Сварка нижних швов наиболее удобна, легко поддается механизации, дает лучшее качество шва, а потому при проектировании следует предусматривать возможность выполнения большинства швов в нижнем положении. Вертикальные, горизонтальные и потолочные швы в большинстве своем выполняются при монтаже. Они плохо поддаются механизации, выполнить их вручную трудно, качество шва получается хуже, а потому применение их в конструкциях следует по возможности ограничивать.

Швы могут быть рабочими и связующими (конструктивными), сплошными и прерывистыми (шпоночными).

По конструктивному признаку швы разделяют на стыковые и угловые (валиковые). Стыковые швы наиболее рациональны, так как имеют наименьшую концентрацию напряжений. Угловые (валиковые) швы наваривают в угол, образованный" элементами, расположенными в разных плоскостях.

Швы, расположенные параллельно действующ. осевому усилию - фланговые

перпендикулярно усилию – лобовые

Начало и конец шва имеют непровар и кратер, являются дефектными и их желательно выводить на технологические планки за пределы рабочего сечения шва. Корень шва- Часть сварного шва, наиболее удаленная от его лицевой поверхности. Кратер-углубление, образующееся в конце валика под действием давления дуги и объемной усадки металла шва. Требование к сварным соединениям см. п.12.8а)б)в)г)д)Также п.12.12

3.3.5. Расчет сварных соединений. Соединения встык.

Стык прочнее, чем основной металл.

Расчет сварных швов:

1)стыковых ф(119) СниП «Стальные конструкции» ɣ_с- коэффициент условий работы табл.6 СниП «Стальн. констр»

R_wy- расчетное сопротивление шва табл.3 СниП «Стальн.констр». к рис.а)

Рис. б)- косые швы, применяются например для снижения напряжений при вибрационной нагрузке. Действующее усилие раскладывается на направление, перпендикулярное оси шва и вдоль шва. Находят напряжения. перпендикулярно шву: , вдоль шва , l_ш=b/sinα-2t- расчетная длина косого шва.

При действии изгибающего момента на соединение:

– момент сопротивления шва. Сварные соединения встык, работающие одновременно на нормальные напряжения и срез, проверяют по формуле

На рис. И в формулах замените обозначения на СНиПовские.

3.3.6. Расчет сварных соединений. Соединения с угловыми швами.

угловые сварные швы рис. к п.11.2 ф.(120), (121) СниП «Стальн. констр» (считается по минимальному из произведений в правой части). Расшишровка коэффициентов п.11.2 Требование к сварным соединениям см. п.12.8а)б)в)г)д)

Также п.12.12. см. табл. 34 СНиП.

3.3.7. Болтовые соединения, виды болтов, их размещение.

Болт — крепёжная резьбовая деталь в виде цилиндрического стержня с головкой, часть которого снабжена резьбой. Различают болты :1) грубой и нормальной точности (вместе черные болты) изготавливаются как правило методом штамповки. Резьба накатывается. Отверстия под черные болты сверлятся на 2-3 мм больше диаметра d. Эти болты используются в кач-ве монтажных болтов (т.е. временное закрепление), в кач-ве болтов, работающ на растяж и запрещ в ответств соединениях, работающ на сдвиг. Деформативность соед-я, болты включаются в работу не одновр и не могут хорошо работать на сдвиг. 2)болты повыш точности. Особ-ть - отверстие делается на 0.2-0.3мм больше d болта.(плюсовой допуск для диаметра болта и минусовой допуск для отверстия не допускается) Эти болты имеют строго цилиндрическое тело, резьба нарезается. Пов-ть отверстий должна быть гладкой. Такие болты сидят в отверстиях плотно, хорошо воспринимают сдвигающие силы 3)высокопрочн болты изготавл из легир стали. Разница в d отверстий 2-3мм. Раб-ют в соед-ии, работающ на сдвиг. Гайка сильно затягивается тарировочным ключом. Болты раб-ют на осевое растяж за счет сил трения.4) специальные болты:а)анкерные болты- соед мет и не мет изделия (железобетонный фундамент и стальная колонна) б) рефленые болты- вбиваются в отверстие в)самонарезающиеся болты- закручиваются в отверстие. Исп где нет места для нарезки гайки. (гайка не нужна).

Различ две констр разновидности соединений: стыки и прикрепления элементов друг к другу. Стыки листового металла осущ двустор или односторонними накладками. Двустор накладки обеспеч симметр передачу усилия - предпочтительнее рис.а). Стыки с односторонней накладкой дают эксцентриситет- дополнительный изгибающий момент рис.б). Прикрепление также предпочтит делать симметр.

П ри констр-ии болтового соед следует стремится к применению болтов одного d в пределах каждого конструктивного элемента. И к наименьшему числу диаметров болтов во всем сооружении. При конструировании изделия следует стремится к передаче усилий кратчайшим путем. Болты располагаются в соединении по прямым линиям- рискам, параллельным линии действия усилий. Расстояние между двумя смежными рисками- дорожка, расстояние между смежными по риске болтами- шаг. Болты следует размещать в соответствии с табл. 39 СНиП.

3.3.8. Расчет болтовых соединений на обычных болтах.

Расчетное усилие, которое может быть воспринято одним болтом на срез

.N_b= R_bs*A*_b n_s , ф(127) A_b= *d²/4

N_bs – несущая способность одного болта на срез;

R_bs – расчетное сопротивление;

A_b – площадь болта брутто (по d );

_b – коэффициент условия работы болтового соединения (Табл.35 СНиПа).

n_s – количество плоскостей среза.

Несущая способность болта на смятие.

Nb= R_bp*d*_b*t_min ф(128)

t_min – это минимальная толщина элементов, сминаемых в одном направлении.

[N]_bmin – минимальная несущая способность болта из п.11.7 .

n_b=N/ɣ_сN_min ф(130)

Несущ способн болта на растяж

N_b=Rbt*Abn Аbn-площ болта нетто ф(129)

3.3.9. Расчет болтовых соединений на высокопрочных болтах.

Соединения на высокопрочных болтах.

Такие соединения работают только на растяжение.(рис см выше) 2 плоскости трения

N  F_трен

F_трен= P**n_s, где Р – сила натяжения,  - коэф. трения табл.36 СНиП, n_s – количество плоскостей P = R_bр*A_bn , R_bр – расчетное сопротивление растяжению высокопрочного болта.

A_bn- площадь сечения болта нетто СНиП табл.62

Несущая способность высокопрочного болта.

Q_bh= (R_bh**_b* A_bn*n_s)/_h ф(131)

_b – зависит от количества болтов

_h – коэф. надежности (табл. 36 СНиПа), зависит от вида обработки поверхности, характера действующей нагрузки (статической или динамической),n_s-кол-во плоскостей трения;

Количество высокопрочных болтов-ф(132) СНиП

3.3.10. Сварная балка составного сечения. Конструктивное решение. Назначение высоты балки.

Применение сварных балок обосновано при больших пролетах и больших изгибающих моментах, а также когда являются более экономичными. Б алки могут быть: см рис а)-прокатные б)-прессовые в)-сварные г)-клепаные и болтовые.

Одним из прогрессивных направлений повышения эффективности двутавра является создание балок с перфорированной стенкой.

Определение высоты сечения балки.h_опт≈h_ф≥h_min, h_min- минимальная высота балки из условия жесткости, h_опт- оптимальная высота балки из условия экономии стали. , k зависит от конструктивного оформления балки- конструктивных коэффициентов поясов и стенки. k=1,15 для сварных балок.

f_max/l = 5/384 * (q^н*l³) /( E*I_х ) = [ f / l ];I = W_х^тр * h_ст/2;=>

h_min = (5 * R * l * q^н )/(24 * E * [ f / l ] * q)

3.3.11. Сварная балка составного сечения. Подбор сечения элементов балки.

Порядок расчета:1).Расчетная схема.

О пирание балок минимум 120 мм . l₀=l_св+l_опир. l_св- расстояние в свету. 2). параметры сечения. M_max= q*l²/8; _max = M_max /с·W_х  R_y*_c, с-коэффициент, учитывающий развитие пластических деформаций, табл.66 для двутавра 1,12. СНиП. W_х ^тр = M_max / R_y*_c Определение высоты сечения балки.h_опт≈h_ф≥h_min, h_min- минимальная высота балки из условия жесткости, h_опт- оптимальная высота балки из условия экономии стали. , k зависит от конструктивного оформления балки- конструктивных коэффициентов поясов и стенки. k=1,15 для сварных балок.

f_max/l = 5/384 * (q^н*l³) /( E*I_х ) = [ f / l ];I = W_х^тр * h_ст/2;=>

h_min = (5 * R * l * q^н )/(24 * E * [ f / l ] * q)

толщина стенки балки находится по эмпирической формуле t_ст=7+3h_ст; h_ст в метрах. Из J^тр= W_х^тр*2/h_ст находят J^тр для всей балки, а затем вычисляют J^тр_п- для полок. J^тр=J^cт+2J_п^тр, J_cт=t_cт*h_ст³/12; А_п^тр=J_п^тр*(h_ст/2)²; А_п^тр- требуемая площадь полки

Ширина полки назначается из условий: минимального опирания, обеспечения местной устойчивости полки табл.30 СНиП для определение b_ef см п.7.22 СНиП b_п=(1/3-1/5)h. Толщина полки подбирается также из условия местной устойчивости, а также из условия свариваемости, t_ст≤t_п≤3 t_ст и проката t_max=40мм. Параметры принимаются с учетом сортамента. 3)Проверки принятого сечения.

M^*_max и Q^*_max – уточненные внутренние усилия с учетом собственной массы балки.

а. Проверка прочности сечения по нормальным напряжениям.

_max = M^*_max /с·W_х^нт  R_y*_c , W_х^нт – нетто сечения.

б. Проверка почности балки на действие перерезающей силы.

_max= Q^*_maxS^отс/t_ст*I_x  R_s*_c , t_ст-толщина стенки. S^отс-сортамент R_s-табл.1 СНиП- расчетное сопротивление сдвигу. Rs=0,58*Ryn/ɣ_m;

Ryn –нормативный предел текучести по табл.51 СНиП

в. Проверка поприведенным напряжениям. _прив = (²₊3²)^0,5 R_y * _c можно ф(33) СНиП

г. Проверка общей устойчивости балки. Проверка не требуется в случаях, описанных в п. СНиП 5.16 а)б), где l_ef- наибольшая свободная длина до закрепления. При не соблюдении данных пунктов ф.(34)

П роверяется местная устойчивость стенки в соответствии с п.7.3 СНиП. Если условие не соблюдается, то стенки укрепляется поперечными парными ребрами жесткости. Проверка отсека между ребрами по ф.(79) СНиП

Вторая группа предельных состояний.

Проверка жесткости.

f_max = 5/384 * (q^н**l₀⁴) /( E*I_х )- после уточнения нагрузки с учетом собственной массы.

f_max/l₀  [ f / l ] предельный прогиб находится по табл.40 СНиП

3.3.12. Конструкция заводских и монтажных стыков сварных составных балок.

Различают два типа стыков балок: заводские и монтажные. Заводские стыки представляют собой соединение отдельных частей какого либо элемента балки (стенки, пояса), выполненные из-за недостаточной длины имеющегося проката. Их расположение обусловлено длиной проката или конструктивными соображениями (стык стенки не должен совпадать с местом примыкания вспомогательных балок, с ребрами жесткости и т.д.) Чтобы ослабление балки заводским стыком было не слишком велико, стыки отдельных элементов обычно располагают в разных местах по длине балки, т.е. вразбежку. Монтажные стыки выполняются при монтаже, они необходимы тогда, когда масса или размеры балки не позволяют перевезти и смонтировать её целиком. Расположение их должно предусматривать членение балки на отдельные отправочные элементы, по возможности одинаковые (в разрезной балке стык располагают в середине пролета или симметрично относительно середины балки), удовлетворяющее требованиям транспортировки и монтажа наиболее распространенными средствами. В монтажных стыках удобно все элементы балки соединять в одном сечении. Такой стык называется универсальным. Заводские стыки поясов и стенки составных сварных балок осуществляют соединением листов до сборки их в балку.

О сновным типом сварных соединений листов является соединение встык. Стык растянутого пояса, если он расположен в зоне балки, где напряжения в поясе превышают расчетное сопротивление сварного шва на растяжение, устраивают косым или сваривают автоматической сваркой, выводя конец и начало шва на технологические планки.

Стык составных балок на высокопрочных болтах. В таких стыках каждый пояс балки желательно перекрывать тремя накладками с двух сторон, а стенку- двумя вертикальными накладками, площадь которых должна быть не меньше площади сечения перекрываемого ими элемента. Болты в стыках ставят на минимальном расстоянии друг от друга (2,5-3)d болта, чтобы уменьшить размеры и массу стыковых накладок. Табл.39 СНиП

3.3.13. Составные балки на болтах. Особенности конструирования.

Монтажные соединения в сварных фермах, особенно при работе ферм на динамические нагрузки, часто конструируются на высокопрочных болтах, что значительно упрощает монтажные работы и обеспечивает высокую надёжность конструкции. Из-за наличия в центре узла повышенных напряжений полезно иметь утолщение пояса в пределах узла. Это утолщение получается в узлах на болтах благодаря узловым фасонкам и накладкам.

При Н-образном или швеллерном сечениях стержней, имеющих гладкую наружную поверхность, простыми и надёжными являются соединения на болтах, в которых фасонки соединяют с наружной стороны все подходящие к узлу стержни.

К фасонкам прикрепляют только вертикальные элементы стержней, через которые передаются и усилия с горизонтальных листов сечения. Такое прикрепление позволяет сверлить все отверстия по плоским кондукторам на многошпиндельных станках; монтажную клёпку или закрепление болтов производят с наружной стороны узла на вертикальных плоскостях.

Жёсткость узла при Н-образном сечении обеспечивается соединительным листом. Фасонки при устройстве стыков пояса в центре узла служат стыковыми элементами; вместе с тем фасонки испытывают значительные напряжения при передаче усилий с раскосов на пояса. Чтобы облегчить работу фасонок целесообразно в местах стыков поясов усиливать фасонки наружными планками. Толщина фасонок назначается по всей ферме одинаковая по максимальному напряжению в элементе фермы, обычно не меньше толщины прикрепляемых элементов.

Болты в узлах тяжёлых ферм следует размещать по унифицированным рискам на расстояниях, требуемых кондукторным и многошпиндельным сверлением. Унификация заключается в том, что разбивка отверстий во всех узлах подчиняется единой модульной сетке, нанесенной на концы стержней и фасонок. В более узких стержнях получается меньшее число продольных рисок, чем в широких, при больших усилиях увеличивается число поперечных рядов отверстий и т.д. При таком конструировании используется один тип кондуктора для всех узлов, что упрощает изготовление и упорядочивает проектирование.

Продолжение 3.3.13

П родолжение 3.3.12

3.3.14. Металлические стропильные фермы. Очертание ферм. Принцип назначения основных размеров ферм.

Очертание в первую очередь зависит от назначения сооружения. Вместе с тем очертание ферм должно соответствовать их статической схеме, а также виду нагрузок, определяющих эпюру изгибающих моментов.

Ф ермы треугольного очертания.

Стропильные фермы треугольного очертания применяют как правило, при значительном уклоне кровли, вызываемом или условием эксплуатации здания, или типом кровельного материала. Стропильные фермы треугольного очертания имеют ряд конструктивных недостатков. Острый опорный узел сложен, допускает лишь шарнирное сопряжение фермы с колонной, при котором снижается поперечная жёсткость одноэтажного производственного здания в целом. Стержни решётки в средней части ферм получаются чрезмерно длинными, и их сечение приходится подбирать по предельной гибкости, что вызывает перерасход металла. Треугольное очертание в стропильных фермах не соответствует параболическому очертанию эпюры моментов.

Ф ермы трапецеидального очертания пришли на смену треугольным фермам благодаря появлению кровельных материалов, не требующих больших уклонов кровли. Трапецеидальное очертание балочных ферм лучше соответствует эпюре изгибающих моментов и имеет конструктивные преимущества. В сопряжении с колоннами позволяет устраивать жёсткие рамные узлы, что повышает жёсткость здания. Решётка таких ферм не имеет длинных стержней в середине пролёта.

Ф ермы полигонального очертания наиболее приемлемы для конструирования тяжёлых ферм больших пролётов, так как очертание фермы соответствует эпюре изгибающих моментов, что даёт значительную экономию стали. Дополнительные конструктивные затруднения из-за переломов пояса в тяжёлых фермах не так ощутимы , так как пояса в таких фермах приходится стыковать в каждом узле из условия транспортирования. Для лёгких ферм полигональное очертание нерационально, так как получающиеся в этом случае конструктивные усложнения не окупаются незначительной экономией стали.

Ф ермы с параллельными поясами имеют существенные конструктивные преимущества. Равные длины стержней поясов и решётки, одинаковая схема узлов и минимальное количество стыков поясов обеспечивают в таких фермах наибольшую повторяемость деталей и возможность унификации конструктивных схем, что способствует индустриализации их изготовления. Эти фермы благодаря распределению кровель с рулонным покрытием стали основным типом в покрытиях зданий.

Основные размеры фермы

Пролет или длины фермы чаще всего определяются эксплуатационными требованиями и общекомпоновочным решением сооружения. При свободном опирании ферм покрытий на опоры сверху расчетный пролет фермы l₀ (расстояние между осями опорных частей) в качестве первого приближения может быть принят равным- для разрезных ферм- расстоянию между внутренними четвертями ширины опор l₀=l+a/2, l-расстояние в свету между опорами, а- ширина опоры. При примыкании ферм к металлическим колоннам сбоку расчетный пролет ферм принимается равным расстоянию между колоннами в свету на отметке примыкания ферм. В случаях, когда пролет ферм не диктуется технологическими требованиями, он должен назначаться на основе экономических соображений с тем, чтобы суммарная стоимость ферм и опор была наименьшей. Кроме пролета основным параметром фермы является и высота, которая зависит от величины пролета и вида фермы. Например треугольные фермы применяются под кровли, требующие значительного уклона (25⁰-45⁰), что дает высоту фермы h≈(1/4-1/2)l/. Соотношение высоты и пролета зависит от вида ферм. Например для ферм с параллельными поясами или близкими к ним ферм трапецеидального очертания-h=(1/7-1/9)l.

3.3.15. Металлические фермы. Системы решеток ферм.

С тальные фермы широко применяются в покрытиях промышленных и гражданских зданий, анагров, вокзалов. По сравнению со сплошными балками экономичны по затрате металла, им легко придать любое очертание, требуемой условиями технологии, работы под нагрузкой или архитектуры, они относительно просты в изготовлении. Решетка ферм работает на поперечную силу, выполняя функции стенки сплошной балки. От системы решетки зависят масса фермы, трудоемкость ее изготовления, внешний вид. Решетка должна соответствовать схеме приложения нагрузок, поскольку нагрузки во избежание местного изгиба пояса передаются, как правило, на ферму в узлах. Треугольная система решетки. А)Б)В)Рациональна в фермах трапециевидного очертания или с параллельными поясами. даёт наименьшую длину решетки и наименьшее число узлов при кратчайшем пути усилия от места приложения нагрузки до опоры. Общий недостаток: наличие сжатых раскосов, восходящих в фермах трапециевидного очертания и нисходящих в треугольных фермах. Раскосная система решетки.А) При ее проектировании нужно стремиться, чтобы наиболее длинные элементы – раскосы были растянутыми, а стойки – сжатыми. Это требование удовлетворяется при а) и восходящих раскосах – в треугольных фермах, однако в треугольных фермах более рациональны нисходящие раскосы с нисходящие раскосыБ), они получаются сжатыми, но зато их длина меньше и узлы ферм более компактны. Применять раскосные решетки целесообразно при малой высоте ферм, а также тогда, когда по стойкам передаются большие усилия (при большой узловой нагрузке). Раскосная решетка более трудоемка, чем треугольная, больше расход материала, путь передачи усилия от узла, к которому приложена нагрузка, до опоры в раскосной решетке длиннее –он идет через все стержни решетки и узлы. Специальные системы решеток. Шпренгельная решетка.IX.7а) в) Применяют, чтобы уменьшить размер панели, сохранив нормальный угол наклона раскосов. Трудоёмко, требует дополнительного расхода металла, но можно уменьшить длину сжатых стержней, и тем самым снизить общую массу конструкций. В стропильных фермах шпренгельная решетка позволяет сохранить нормальное расстояние между прогонами, удобное для поддержания элементов кровли (2-3м), или же создать промежуточный узел для опирания крупнопанельного настила. В фермах, работающих на двустороннюю нагрузку(горизонтальные связевые фермы покрытий производственных зд-ий, вертикальные фермы башен, мачт), как правило, устраивают крестовую решетку г). Часто крестовую решетку проектируют из достаточно гибких стержней – тогда под действием нагрузки работают только растянутые раскосы, сжатые из-за большой гибкости выключаются из работы. Ромбическая д)и полураскосная решетки е)– обладают также большой жёсткостью, применяются в мостах, башнях, мачтах, связях для уменьшения расчетной длины стержней, особенно рациональны при работе конструкций на большие поперечные силы.

3.3.16. Расчет металлических стропильных ферм. Нагрузки, действующие на ферму и метод определения внутренних усилий.

П редпосылка расчета - в узлах введены шарниры. Это можно делать если:1) нагрузка приложена в узлы М=0;2).должно выполняться определенное соотношение размеров h_ф /l- зависит от очертания. Если данные параметры не выполняются, шарниры вводить нельзя. Нагрузки: 1)постоянная (собственный вес ферм и вес всей поддерживаемой конструкции кровли, фонарей и т.п.)2)временная - нагрузка от подвесного подъемно-транспортного оборудования, кратковременная - снег, ветер. Снег и ветер по СНиП Нагр и возд. Нагрузки приводятся в узлы. А) Способ моментной точки. Этот способ применим к тем фермам, в которых можно провести разрез только через три стержня. Обозначим усилия О – усилия в верхнем поясе, U –усилия в нижнем поясе, D – раскосы, V – стойки.

,откуда - сжат;

,откуда - растянут;

,откуда - растянут.

Б). Способ проекций. Применяется главным образом к фермам с параллельными поясами.

В). Способ вырезания узлов. Для каждого узла фермы составляется два условия равновесия в виде двух уравнений равновесий на две не параллельные оси.

Для определения усилий О_1, U₁, V₁ – вырежем 0 и 1’.

, ,

, ,

3.3.17. Принцип выбора типа поперечного сечения элементов металлической стропильной фермы

Лёгкие фермы проектировались в основном из стержней с сечениями, составленными из двух уголков(9.13б). Такие сечения имеют большой диапазон площадей, удобны для конструирования узлов на фасонках и прикрепления примыкающих к фермам конструкций(прогонов, кровельных панелей, связей). Недостатками являлись большое количество заготавливаемых элементов с различными типоразмерами, значительный расход металла на фасонки и прокладки, высокая трудоёмкость изготовления и наличие щели между уголками, затрудняющей окраску. Стержни с сечением из двух уголков, составленных тавром, неэффективно работают на сжатие.

Жёсткость сечения характеризуется его радиусами инерций, которые прямо пропорциональны генеральным размерам сечения и могут быть приближенно выражены для таврового сечения из двух уголков соотношением ix=0,3h, iy=0,2b(9.13, б-г).

Если расчётная длина стержня фермы одинакова в плоскостях Х-Х и У-У(опорные раскосы, пояса стропильных ферм, закреплённые в каждом узле кровельными плитами), то из условия равноустойчивости при работе стержня на продольный изгиб (λх=λу) необходимо чтобы радиусы инерции относительно обеих осей были равны, т.е. ix=iy. Для этого нужно расположить неравнополочные уголки большими полками вместе(9.13г).

Т авровое сечение из двух уголков, составленных вместе меньшими полками(9.13в), употребляется в случаях когда расчётная длина стержня вне плоскости фермы в 2 раза больше чем в плоскости. В таком сечении b=3h и, следовательно, iy=0,2 b=0,6 h=2·ix, то есть жёсткость фермы вне плоскости в 2 раза больше, чем в плоскости.

Тавровое сечение из двух равнополочных уголков(9.13б) является наиболее распространенным для стержней решётки. Это сечение обеспечивает равноустойчивость сжатых стержней решётки, так как имеет большую жёсткость вне плоскости фермы (отн-но оси У-У), что отвечает большей расчетной длине сжатого раскоса вне плоскости фермы .lу=1,25·lх. В таком случае iy=0,2 b=0,4 h=1,33·ix, что соответствует указанному соотношению расчётных длин.

3.3.18. Конструирование узлов металлической сварной стропильной фермы.

Толщина фасонки назначается в зависимости от максимального усилия в элементах. Сухарики п.5.7. Размеры на 40-60мм больше уголка. Ширина 60-80мм. Толщина как фасонка. по перу - 30%нагрузки воспринимается

По обушку - 70%нагрузки воспринимается. Исходя из требуемых длин швов, воспринимающий реакции в элементах ферм, конструируются узлы. Приближение сварных швов не менее 50мм.

3.3.19. Металлические колонны. Основные элементы и типы поперечных сечений центрально-сжатых колонн сплошного сечения.

Колонны передают нагрузку от вышележащих конструкций на фундаменты. На оголовок опирается вышележащая конструкция. Функции базы: распределение нагрузки на большую площадь, обеспечение проектного раскрепления колонн относительно фундамента. По высоте колонна может быть монотонной и ступенчатой. У ступенчатой колонны наружняя ветвь - шатровая, внутренняя - подкрановая.

В колоннах крайних рядов для удобства крепления стенового ограждения используют сечения с рис.г

3.3.20. Расчет и конструирование стержня центрально-сжатых металлических колонн сплошного сечения.

Обычно сечения сплошных колонн проектируют в виде широкополочного двутавра, прокатного или сварного, наиболее удобного в изготовлении и позволяющего просто осуществлять примыкание поддерживаемых конструкций.

Расчет ведется из условия обеспечения общей устойчивости ф. (7) СНиП по минимальному коэффициенту продольного изгиба, соответствующему λ_х или λ_у . ;φ-по табл.72 СНиП. λ=l_ef/i_,;l_ef=l_геом*μ- коэффициент приведенной длины, зависит от закрепления, μ-табл. 71а.

При этом гибкость не должна превышать предельно допустимую по табл.19 СНиП. п.4 и 5, α-характеризует уровень напряженного состояния. Задаемся соотношением площадей А_п=0,4А_тр, А_ст=0,6А_тр Из условия равноустойчивости b_п≈h_ст, минимальная высота стенки назначается из условия опирания на неё горизонтального элемента. t_ст≤t_п≤3 t_ст. Местная устойчивость полки по табл.29 п.7.23. устойчивость стенки п.7.14 СНиП, табл.27. см. также п.7.21

3.3.21. Расчет и конструирование стержня центрально-сжатых металлических колонн сквозного сечения.

Стержень сквозной центрально-сжатой колонны обычно состоит из двух ветвей (швеллеров или двутавров), связанных между собой ре­шетками. Решетки обеспечивают совместную работу ветвей стержней колонны. Решетки могут быть из раскосов рис. а), раскосов и распорок рис. б) и безраскосного типа в виде планок рис. в) Обеспечение неизменяемости контура по п.13.11 СНиП. Расчет на прочность элементов, подверженных центральному растяжению или сжатию силой N следует выполнять по формуле

, но при определении φ по ф(8-10) заменить гибкость по п.5.6 см. табл.7 СНиП

По требуемой площади принимаем сечение. Расстояние между планками по п.5.7. Расчет планок по ф.(23), расчет напряжений в швах планок по(24)(25)СНиП

3.3.22. Расчет и конструирование стержня внецентренно-сжатой металлической колонны сплошного сечения.

По ф.(51) п.5.27 а) - расчет на прочность в плоскости действия момента, , по ф(56)- из плоскости действия момента, при этом. Λ_у=l_efу/i , с по ф(57) или (58) или (59). Гибкость стержня λ - сравнивается с предельной по табл.19.

Проверяется условие >λ_с=3.14· по п.5.31 и в зависимости от этого принимается β, m_х= е_х·А_факт/W_х, от m_x зависит α табл.10.