Учебное пособие 1512

УДК 524.014

ББК 38.54

Составитель А. А. Свентиков

Проектирование элементов стальных конструкций зданий и соору-

жений: методические указания к выполнению практических работ по дисциплине «Металлические конструкции, включая сварку» для студентов бакалавриата направления 08.03.01 «Строительство», профиль «Экспертиза и управление недвижимостью» / ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет; сост.: А. А. Свентиков. – Воронеж, 2018. – 34 с.

Приводятся наиболее характерные методики проектирования широко применяемых типов стальных конструкций зданий и сооружений, а также видов их соединений.

Методические указания соответствуют требованиям государственных образовательных стандартов и предназначены для проведения практических занятий по курсу «Металлические конструкции, включая сварку» для студентов, обучающихся по направлению 08.03.01 «Строительство» всех форм обучения профиля «Экспертиза и управление недвижимостью»

Ил. 6. Табл. 3. Библиогр.: 8 назв.

УДК 524.014

ББК 38.54

Рецензент – С. А. Пинаев, канд. техн. наук, доцент, профессор кафедры «Строительные конструкции, основания и фундаменты» Воронежского государственного технического университета

Печатается по решению учебно-методического совета Воронежского государственного технического университета

2

ВВЕДЕНИЕ

Целью настоящей работы является формирование у студентов начальных навыков по расчету и конструированию элементов стальных конструкций и основных видов их соединений.

Сталь – это сплав железа с углеродом, содержащий легирующие добавки, улучшающие качество металла, и вредные примеси, которые попадают в металл из исходной руды или образуются в процессе плавки.

Прочность стали при статическом нагружении, а также его упругие и пластические свойства определяются испытанием стандартных образцов на растяжение с записью диаграммы зависимости между напряжением и относительным удлинением . Основными прочностными характеристиками стали являются предел текучести y и временное сопротивление u . Основным стандар-

том, регламентирующим характеристики сталей для строительных конструкций, является ГОСТ 27772-88. Согласно данному нормативу фасонный прокат изготавливают из стали С235, С245, С255, С275, С285, С345, С345К, С375; а

листовой, универсальный прокат и гнутые профили - из стали С235, С245,

С255, С275, С285, С345, С345К, С375, С390, С390К, С440, С590, С590К . При этом: буква С означает - сталь строительная, цифры условно обозначают предел текучести проката, буква К - вариант химического состава.

Химический состав стали характеризуется маркой стали. По химическому составу стали подразделяются на углеродистые и легированные. Углеродистые стали состоят из железа и углерода с некоторой добавкой кремния или алюминия. В состав легированных сталей помимо железа и углерода входят специальные добавки, улучшающие их качество.

Взависимости от вида поставки стали подразделяются на горячекатаные

итермообработанные (нормализованные или термически улучшенные). В строительных конструкциях в основном применяют прокатную сталь. Для стальных конструкций используют листовую и профильную сталь. Профильная сталь подразделяется на фасонную (двутавры, швеллеры и другие профили) и сортовую (круг, квадрат, полоса, уголки). Каталог поставляемых профилей с указанием их формы, размеров, геометрических характеристик и массы называют сортаментом и оформляют в виде национальных (государственных) стандартов или технических условий.

Минимальные гарантируемые значения предела текучести и временного сопротивления проката стали при растяжении принимаются в качестве основных нормативных сопротивлений материала при расчете и проектировании стальных конструкций (обозначаются Ryn и Run соответственно). Их обеспе-

ченность согласно процедуре контроля выражается вероятностью P 0,95. Расчетные сопротивления проката по пределу текучести и временному

сопротивлению (обозначаются Ry и Ru соответственно) получены делением соответствующих нормативных сопротивлений на коэффициент надежности по

3

материалу, значение которого для проката разных сталей регламентировано СНиП П-23-81*. Обеспеченность расчетных сопротивлений выражается вероятностью P 0,995.

Стальные конструкции рассчитываются по методу предельных состояний. Под предельными понимаются такие состояния, при которых конструкция, основание (здание или сооружение в целом) перестают удовлетворять заданным эксплуатационным требованиям или требованиям при производстве работ (возведении).

Различаются две группы предельных состояний. Первая группа (по пригодности к эксплуатации) включает предельные состояния, которые ведут к полной непригодности к эксплуатации конструкций, оснований (зданий или сооружений в целом) или к полной (частичной) потере несущей способности зданий и сооружений в целом. Вторая группа (по пригодности к нормальной эксплуатации) включает предельные состояния, затрудняющие нормальную эксплуатацию конструкций (оснований) или уменьшающие долговечность зданий (сооружений) по сравнению с предусматриваемым сроком службы.

По интенсивности все нагрузки и воздействия подразделяются на нормативные и расчетные. К нормативным относятся нагрузки, отвечающие условиям нормальной эксплуатации. По нормативным нагрузкам осуществляют проверку конструкций по второй группе предельных состояний. Данные нагрузки находят по нормам проектирования или вычисляют по проектным данным. К расчетным относят такие значения нагрузок, которые не могут быть превышены за весь период эксплуатации здания. По таким нагрузкам проверяют конструкции по первой группе предельных состояний. Значение расчетной нагрузки вычисляют путем умножения нормативного значения на коэффициент надежности по нагрузке, определяемый по нормам проектирования.

Ниже рассмотрим методики проектирования изгибаемых и центральносжатых стальных элементов, а также их наиболее характерных стыков на примере проектирования стальной системы с балочной клеткой нормального вида.

В качестве общих исходных данных для всех видов расчета примем следующие параметры:

1.Шаг колонн в продольном направлении: b = 5,1 м.

2.Шаг колонн в поперечном направлении: l = 12,3 м.

3.Шаг второстепенных балок: а = 2,05 м.

4.Постоянная нагрузка (нормативная): qн =18 кПа.

5.Временная нагрузка (нормативная): pн =26 кПа.

6.Отметка низа конструкций, Hн =11,5 м.

ЗАНЯТИЕ 1. РАСЧЕТ ПРОКАТНОЙ БАЛКИ

Прокатные балки чаще всего используются для изготовления вспомогательных балок в стальных балочных системах покрытий зданий.

4

На рис. 1 показана схема загружения прокатной вспомогательной балки (грузовая площадь). При этом пролетом данных балок является шаг главных балок – b, а шириной грузовой площади – параметр a (шаг вспомогательных балок).

Расчетной схемой вспомогательной балки является горизонтальная шарнирная балка, нагруженная равномерно-распределенной нагрузкой qвсп :

где g н , pн - постоянная и временная нормативные нагрузки (принимаются по заданию); g , p - коэффициенты надежности по нагрузке [2], a – шаг вспомогательных балок.

Исходя из расчетной схемы, максимальный изгибающий момент в балке определяется следующей зависимостью:

табл.66], на стадии подбора сечения допускается приближенно принять с1 1,1; Ry - расчетное сопротивление стали растяжению по пределу текучести [1, табл. 51*];c - коэффициент учета условий работы, в настоящих расчетах принимаем рав-

ным 1,0; 1,05 – коэффициент, учитывающий увеличение изгибающего момента от действия собственного веса прокатной балки.

5

Зная Wтр , по сортаменту подбирается балка двутаврового сечения. После

чего выполняется проверка подобранного сечения.

На стадии проверки первоначально осуществляется определение фактического коэффициента развития пластических деформаций с1ф , а также уточнение фактической погонной нагрузки qвспф и фактического максимального момента М вспф :

где g всп - погонная масса вспомогательной балки (принимается по сортаменту);0 - коэффициент надежности от собственного веса [2], для стальных конструкций принимается равным 1,05.

Проверка балки по прочности осуществляется согласно следующему условию:

При подборе прокатных профилей рекомендуется, чтобы «запасы прочности» в материале балки (недонапряжения) удовлетворяли следующему требованию:

Проверка подобранного сечения прокатных балок по второй группе предельных состояний заключаются в проверке возникающих прогибов:

где qвспф,н - нормативная фактическая погонная нагрузка; Е – модуль упругости

стали; J - момент инерции поперечного сечения балки; f - предельный от-

b

носительный прогиб, для настоящих расчетов для вспомогательных балок принимаем равным 1/250.

Пример расчета прокатной балки

Примем, что прокатные вспомогательные балки изготавливаются из стали

С235.

Определим погонную расчетную нагрузку и максимальный изгибающий момент:

qвсп ( g qн p pн ) а (1,1 18 1,2 26) 2,05 104,55 кН/м;

6

Вычислим требуемый момент сопротивления. Согласно [1, табл. 51*] для стали С235: Ry 23 кН/см2 (2350 кг/см2) (фасонный прокат, приближенно при-

мем что толщина проката 4÷10 мм).

По сортаменту (ГОСТ 8239-89) принимаем для вспомогательной балки следующий профиль: прокатный двутавр № 50 со следующими основными па-

выполняется.

ЗАНЯТИЕ 2. ПОДБОР И ПРОВЕРКА ПОПЕРЕЧНОГОСЕЧЕНИЯ СОСТАВНЫХ БАЛОК

Составные балки в покрытиях зданиях находят свое применение в качестве главных балок. Данные конструктивные элементы воспринимают нагрузку, передающуюся на них посредством вспомогательных балок. В практике

7

проектирования наиболее часто применяется следующая расстановка вспомогательных конструкций. Первая пара вспомогательных балок устанавливается на одинаковом расстоянии а/2 от центра главных балок. Затем симметрично, с шагом а в обе стороны, устанавливается необходимое число остальных балок (рис. 2).

Примем, что число вспомогательных балок обеспечивает равномерное распределение нагрузки на главные балки. Тогда погонная равномерно распределенная нагрузка на главную балку будет определяться следующей зависимостью:

где nвсп - число вспомогательных балок в пролете; l – пролет главных балок.

Исходя из шарнирной расчетной схемы, максимальный изгибающий момент в главной балке будет составлять

Стадия подбора поперечного сечения главной балки

Требуемый момент сопротивления поперечного сечения главной балки определяется следующей зависимостью

где 1,05 – коэффициент, учитывающий увеличение изгибающего момента от действия собственного веса составной балки (на стадии подбора сечения)

8

Примем, что главные балки компонуются составного симметричного сечения из трех листов. Таким образом, поперечное сечение определяется следующими четырьмя параметрами: высотой и толщиной стенки ( hw и tw ), а так-

же шириной и толщиной поясных листов ( b f и t f ).

Подбор поперечного сечения главной балки начинается с определения высоты стенки.

Минимальная высота стенки из условия жесткости определяется следующей зависимостью:

В настоящих расчетах, примем предельный относительный прогиб главных балок равным f / l 1/ 400 .

Оптимальная высота главной балки из условия её нагруженности вычисляется по следующей эмпирической формуле:

где k – эмпирический конструктивный коэффициент, для сварных балок принимается равным 1,2.

Для вычисления оптимальной высоты по формуле (13) толщину стенки рекомендуется приближенно принимать 9 11 мм.

Зависимость (13) является не очень удобной ввиду того, что на данной стадии расчетов неизвестна толщина стенки. Для устранения данного факта рекомендуется применять следующие расчетные формулы для вычисления оптимальной высоты стенки:

где w , w - гибкость и приведенная гибкость стенки

В зависимости (15) на данной стадии расчета приведенную гибкость рекомендуется принимать равной 5,5.

Окончательно высота стенки балки принимается исходя из выполнения следующих условий:

Рекомендуется для стенки балки использовать листовой горячекатаный прокат по ГОСТ 19903-74*.

9