7206

МИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»

И.А. Ямбаев

СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ. ЧАСТЬ I. СТАЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ

Учебно-методическое пособие

по подготовке к лекционным и практическим занятиям по дисциплине «Строительные конструкции. Основания и фундаменты» для обучающихся по направлению подготовки 27.03.01 Стандартизация и метрология, профиль Стандартизация и сертификация

Нижний Новгород ННГАСУ

2022

УДК 624.014 (075)

Ямбаев, И. А. Строительные конструкции. Часть I. Стальные конструкции. : учеб- но-методическое пособие / И. А. Ямбаев ; Нижегородский государственный архитектур- но-строительный университет. – Нижний Новгород : ННГАСУ, 2022. – 30 с. : ил. – Текст : электронный.

Приведены рекомендации по изучению курса лекций по стальным конструкциям. Приведены основные особенности изучения лекций, изложены основные положения по освоению студентами восьми тем первой части курса: основные особенности формирования знаний, умений и владений данным предметом; выбор стали и проката; основные положения проектирования и расчетов по первой и второй группам предельных состояний балок, колонн и легких ферм, а также их болтовых и сварных соединений. Приведены современные требования к проектированию и строительству инженерных сооружений, включая здания; изложены основные положения и особенности изучения лекций по второй части курса; приведено краткое содержание и особенности четырех тем, излагаемых лекционно и двух тем для самостоятельного освоения (ввиду ограниченности аудиторных часов).

Предназначено обучающимся в ННГАСУ для подготовки к лекционным и практическим занятиям по учебной дисциплине «Строительные конструкции. Основания и фундаменты» по направлению подготовки 27.03.01 Стандартизация и метрология, профиль Стандартизация и сертификация.

© И.А. Ямбаев, 2022 © ННГАСУ, 2022.

3

Введение.

Всвоей практической деятельности бакалавр направления 27.03.01 Стандартизация

иметрология, профиль Стандартизация и сертификация может встречаться или с проектированием и возведением строительных стальных конструкций, или с их эксплуатацией. Во всех этих случаях ему необходимо четко представлять работу стальных конструкций под нагрузкой.

Изучив курс металлических конструкций, студент должен обладать следующими навыками:

а) правильно оценивать свойства стали, как строительного материала, правильно назначать его применение в конструкциях;

б) правильно выбирать оптимальное решение стальных конструкций; в) рационально и экономно проектировать стальные конструкции.

Изучению курса металлических конструкций должно предшествовать изучение следующих дисциплин: технология металлов и сварки; сопротивление материалов; строительная механика; архитектура промышленных и гражданских зданий.

Настоящее учебно-методическое пособие предназначено для студентов 3 курса (6-ой семестр) ННГАСУ в помощь при изучении курса лекций, на которые преподавателю в соответствии с действующим учебным планом выделено 34 академических часа на поток из трех групп.

Исходя из выделенного объема лекционных часов в учебно-методическом пособии изложены основные рекомендации для студентов по освоению следующих тем первой части курса:

1.Основные особенности изучения общего курса стальных конструкций студентами направления 27.03.01 Стандартизация и метрология, профиль Стандартизация и сертификация.

2.Выбор материалов для строительных стальных конструкций.

3.Основные положения расчета стальных строительных конструкций по предельным состояниям.

4.Основы работы, расчета и проектирования соединений элементов стальных строительных конструкций на болтах.

5.Основы работы, расчета и проектирования сварных соединений элементов стальных строительных конструкций.

6.Основы проектирования и расчета изгибаемых элементов стальных строительных конструкций.

7.Основы проектирования и расчета центрально сжатых колонн.

8.Основы проектирования и расчета легких стальных ферм.

Тема 1. Основные особенности изучения общего курса стальных конструкций студентами направления 27.03.01 Стандартизация и метрология, профиль Стандартизация и сертификация

Приступая к изучению данного курса лекций, студент должен, как будущий бакалавр по направлению Стандартизация и метрология, понять, что здания и сооружения предназначены для удовлетворения определенных потребностей общества, что они состоят из множества отдельных элементов и частей, объединенных в единые системы. Поэтому студент, решая практические задачи для отдельных несущих элементов, должен учитывать влияние целого здания (сооружения), так как нагрузки и воздействия, переходя от одного элемента к другому принимают форму усилий взаимодействия: нормальных, попе-

речных, изгибающих и крутящих. И это – первая особенность изучения студентами

данного курса лекций.

Вторая особенность изучения данной дисциплины состоит в том, что нормативная база построена на принципах итерационных поверочных расчетов элементов на основе предварительных заданных параметров: сечений, материалов; первичных усилий, полу-

4

ченных с идеализированных расчетных схем; а задача конструктора – создать надежную конструктивную схему здания (сооружения), обеспечивающую простой и надежный путь движения силовых потоков.

Третья особенность определена максимально простыми алгоритмами поверочных расчетов элементов при сохранении требуемой надежности по нормам, но при понимании студентом теоретических обоснований принятых алгоритмов и расчетных положений.

Изучая расчеты и проектирование отдельных элементов и их соединений, студент должен понимать, что конструкции зданий (сооружений) делятся на три основные группы:

1)несущие, образующие основной каркас,

2)ограждающие (не только стальные), выполняющие целый ряд других функций при эксплуатации здания (сооружения): изолирующие, температурно-влажностные, обеспечение сопротивления атмосферным нагрузкам и другие;

3)вспомогательные: лестницы (в том числе и стальные), площадки, окна, ворота; другие, предназначенные для обслуживания строительного объекта.

Более подробно об этом студенту рекомендуется самостоятельно ознакомиться в учебной литературе [1, стр. 26-30] и законспектировать в дополнение к аудиторному конспекту лекций.

Тема 2. Выбор материалов для строительных стальных конструкций

При освоении данной темы студенту следует овладеть основными понятиями механических характеристик стали: прочность, упругость, пластичность, склонность к хрупкому разрушению по [1, стр. 34-39], а также химический состав по [3], включая свариваемость и коррозионную стойкость, их нормативные и расчетные параметры.

Важным является понимание основных принципов классификации конструкций по сложности эксплуатации и деление на четыре группы [2, стр. 118, Приложение В], а также деление на три климатические зоны по расчетной температуре наиболее холодных суток

[2, табл. В.1].

Здесь также студенту предлагается усвоить основные экономические характеристики фасонного проката и гнутых профилей по разным ГОСТ (ам) в зависимости от их применения в элементах, работающих на растяжение и сжатие; на изгиб.

Следует изучить основные достоинства и недостатки сталей как материалов для строительных конструкций.

Таким образом, основные вопросы, которые студент должен освоить, чтобы правильно выбрать материал для конструкций, следующие:

1)основные технические характеристики стали по механическим свойствам;

2)нормирование полезных компонентов и вредных примесей в строительных ста-

лях;

3)классификация листового и фасонного проката по ГОСТ 27772-88;

4)основные принципы классификации строительных конструкций по группам эксплуатации;

5)расчетные температуры наиболее холодных суток на территории России и их влияние на выбор стали (табл. В.1[2]).

6)основные экономические характеристики фасонного проката и гнутых профилей по разным ГОСТ в зависимости от НДС конструкций.

7)основные достоинства и недостатки сталей для строительных конструкций.

Тема 3. Основные положения расчета стальных строительных конструкций по предельным состояниям

При освоении данной темы студенту важно понять, что в основу расчетов стальных конструкций по предельным состояниям положен принцип обеспечения заданных условий эксплуатации при минимальной стоимости конструкций. Метод расчета по предель-

5

ным состояниям (МПС) введен в Советском Союзе с 01.01.1955 г. и постоянно совершенствуется.

При изучении данной темы студенту полезно ознакомиться с историей вопроса, так как до 01.01.1955 г. в нашей стране и за рубежом действовал метод допускаемых напряжений (МДН) с 1826 г. [4]. Кроме того, при изучении дисциплины «Сопротивление материалов» еще часто используют терминологию метода допускаемых напряжений.

Для лучшего освоения МПС студенту рекомендуется ознакомиться с ГОСТ 542572010 [5], который с 11.12.2014 г. переформатирован в ГОСТ 27751 – (действовал с 1988 г.) [6], а сейчас называется как ГОСТ 27751-2014. В новом ГОСТ 27751 обозначены все основные нормативы для расчетов по предельным состояниям. При этом одними из нормативных положений обозначены нормативные и расчетные нагрузки и воздействия, подробно изложенные в [7].

Так как действующая учебная литература не успевает переиздаваться по сравнению с изменениями нормативны документов, то студенту следует учесть, что в [7] введены новые требования по расчетным сочетаниям нагрузок ([7], р.6, стр. 4-5).

Таким образом, основные вопросы, которые студент должен освоить по основным положениям расчета стальных строительных конструкций по предельным состояниям,

следующие:

1)история развития расчетов стальных конструкций [см. 4];

2)классификация всех нагрузок по видам [7]: собственный вес (постоянные нагрузки), технологические, атмосферные, монтажные, аварийные;

3)классификация воздействий на здания и сооружения: температурные, сейсмические, взрывные;

4)классификация нагрузок и воздействий по скорости приложения: статические и динамические [5, 6, 7];

5)по продолжительности действия нагрузок и воздействий на конструкции: постоянные, временные длительные, временные кратковременные, временные особые [7,

р.5];

6)по численному значению нагрузок в расчетах по первому и второму предельным состояниям [7, р. 8-11];

7)по сочетаниям нагрузок и воздействий: основные и особые [7, р.5];

8)разделение расчетов по первой и второй группам предельных состояний для конкретных НДС конструкций: растяжение (сжатие) центральное, растяжение (сжатие) внецентренное, изгиб, - в первой группе предельных состояний прогибы; углы поворотов, осадки, колебания – во второй группе предельных состояний [2; 5; 6; 8];

9)ознакомиться и различать основанные термины предельных состояний: несущая способность, нормальная эксплуатация, долговечность, ситуации (установившаяся, переходная, аварийная); надежность, особое предельное состояние [5, 6].

Кроме того, студент, создавая из конструктивных схем каркасов расчетные схемы, должен обеспечить в последних условиях работы, близкие к действительным.

Тема 4. Основы работы, расчета и проектирования болтовых соединений элементов стальных строительных конструкций

Приступая к освоению данной темы студенту, помимо информации, получаемой на лекциях, полезно по литературе [1, стр. 127-129] ознакомиться с историей применения и развития болтовых соединений. Современные требования к болтам и болтовым соедине-

ниям изложены в [2, р.5; 6; 14.2; 14.3; 14.4; 15.9; 15.11].

При изучении данной темы студент должен усвоить, что применение болтов разных классов зависит от НДС соединений и климатических условий эксплуатации (расчетные температуры наиболее холодных суток).

Размещение болтов в соединениях зависит от их нагруженности (расчетные соединения от расчетных сочетаний нагрузок – на минимальных расстояниях между болтами;

6

конструктивные соединения – на максимальных расстояниях). С этими требованиями можно ознакомиться в [2, табл. 40].

Особое место занимают фрикционные соединения на высокопрочных болтах [2, р.

14.3].

Во всех болтовых соединениях важное значение имеет точность посадки болтов в отверстия. По этому признаку болтовые соединения в современных нормах [2, р.14.2] имеют два класса «А» и «В».

Изучив основы работы и расчета болтовых соединений, студент должен четко разделять работу и расчет сдвиговых соединений при разных НДС элементов и фрикционных соединений так же при разных НДС элементов. При этом ослабленные элементы отверстиями под болты следует проверять на прочность.

Важное значение при освоении болтовых соединений имеют знания технологических требований к болтовым соединениям.

Таким образом, основные вопросы, которые студент должен освоить по теме работы и расчетов болтовых соединений элементов стальных конструкций, следующие:

1)история применения и развития болтовых соединений;

2)основные требования к современным болтам и болтовым соединениям;

3)основы работы болтовых соединений на сдвиг при статических нагрузках;

4)основы расчета сдвиговых соединений на болтах классов точности «А» и «В» при разных НДС соединяемых элементов;

5)основы работы и расчета фрикционных соединений на высокопрочных болтах с контролируемым натяжением при разных НДС соединяемых элементов;

6)основы размещения болтов в расчетных и конструктивных соединениях (рядовое, шахматное; в один ряд, в два ряда); технологические требования к размещению болтов.

Тема 5. Основы работы, расчета и проектирования сварных соединений элементов стальных строительных конструкций

Приступая к освоению данной темы, в дополнение к лекциям студенту рекомендуется, как и в предыдущей теме, ознакомиться с историей применения и развития сварки в строительных стальных конструкциях [1, стр. 128-129]; изучить классификацию современной электродуговой сварки: ручной, механизированной, автоматической, электрошлаковой, газовой [1, стр. 129-133]; классификацию сварных соединений (стыковые и угло-

вые) по разным признакам:

1)конструктивному – разделка кромок в стыковых швах; деление на лобо-

вые и фланговые швы и выполнение соотношений катетов в соединениях на угловых

швах;

2)по положению в пространстве соединений элементов – палубные (нижние); горизонтальные и вертикальные на вертикальных поверхностях; потолочные;

3)по назначению – расчетные и конструктивные;

4)по протяженности – непрерывные и прерывистые;

5)по характеру работы – прочные, плотные, прочно-плотные;

6)по месту выполнения – заводские и монтажные;

7)по числу проходок – однопроходные (однослойные), многопроходные (многослойные).

Важно понимать работу и расчет стыковых и угловых швов при разных НДС соединяемых элементов; значение в расчетах выводных планок; особенности применения сварочных материалов для разных сталей и разных защитных сред: под флюсом, в углекислом газе, порошковой проволокой, покрытыми электродами [2, Приложение Г].

Важно уяснить, почему при неравномерном распределении сварочных напряжений по длине, ширине и толщине сварных швов, их расчет по нормам допускают по средним значениям.

7

Таким образом, основные вопросы, которые студент должен освоить по теме, сле-

дующие:

1)история применения и развития сварки и сварных соединений в стальных строительных конструкциях;

2)классификация электродуговой сварки;

3)классификация стыковых сварных соединений;

4)основы расчета и проектирования стыковых сварных соединений при разных НДС соединяемых элементов стальных конструкций [1, стр. 137-154];

5)классификация сварных соединений на угловых швах; в чем различие зон по металлу шва и по металлу границы сплавления;

6)основы расчета и проектирования сварных соединений на угловых швах при разных НДС соединяемых элементов стальных конструкций [1, стр. 137-154];

7)современные нормативные допуски на применение комбинированных болтовых и сварных соединений;

8)понятие о свариваемости стали [1, стр. 161-163], [2, табл. В.4], [3].

Тема 6. Основы проектирования и расчета изгибаемых элементов стальных строительных конструкций

При освоении данной темы студенту желательно рассматривать основы проектирования изгибаемых элементов отдельно из прокатных и гнутых профилей и отдельно элементов составного сечения (в основном сварных):

6,а. Основы проектирования и расчета балок из прокатных двутавров и швеллеров, гнутых профилей открытого и замкнутого сечений

При изучении данного раздела темы в лекциях преподаватель акцентирует внимание студента на том, что в основе расчета и проектирования балок (в том числе и прокатных) лежат знания по таким учебным дисциплинам, как сопротивление материалов и строительная механика. Тем не менее, есть особенности, связанные с экономическими характеристиками проката. Одной из таких характеристик является ядровое расстояние – отношение момента сопротивления сечения к его площади. Эта характеристика является мерой выгодности по расходу стали изгибаемого проката по разным ГОСТ.

Далее преподаватель обращает внимание студентов на то, что в прокатном двутавре или швеллере расчетное сопротивление стали принимается по его величине в поясах, но не в стенке. Это идет в расчетах несколько в запас надежности, но существенно упрощает расчет. Балочный прокатный и гнутый профиль наиболее распространен в стальных конструкциях перекрытий и покрытий, где он работает совместно с настилом: плоским или профилированным. Поэтому студенту важно знать и уметь проектировать настил в балочных перекрытиях и покрытиях. В стальных конструкциях перекрытий и покрытий применяют, в основном, относительно тонкий настил, в котором одновременно проявляются и цепные, и изгибные напряжения. Поэтому в практических расчетах настила пользуются приближенными методиками по формулам или по графикам, исходя из предельно допускаемого прогиба. Эти вопросы студент, кроме лекций, осваивает в практических задачах.

Студенту-выпускнику вуза в практической работе могут потребоваться умения делать поверку прочности существующих настилов при их эксплуатации. Этот вопрос в лекциях также рассматривается в форме методики поверочных расчетов.

Для проектирования более надежных и экономичных прокатных балок студенту дается современная нормативная база по делению элементов стальных конструкций на три класса в зависимости от использования упругой или упруго-пластической работы стали. По этому же признаку на три класса делятся и балки, в том числе прокатные двутавровые.

Для лучшего понимания и усвоения методики расчета прокатных балок по первому и второму предельным состояниям с учетом деления их на классы студенту в лекциях да-

8

ется полный алгоритм такого расчета от компоновки монтажной схемы перекрытия (покрытия) и выбора расчетной схемы разрезной балки до всех проверок принятого итерационным путем сечения прокатной балки с разделением на классы для учета или не учета развития пластических деформаций при изгибе как в плоскости наибольшей жесткости, так и при изгибе в двух главных плоскостях.

Особо выделен вопрос, трудно дающийся студентам, по особенностям расчета на прочность неразрезных прокатных балок. Здесь вопрос раскрывается с разделением на классы балок, учтены разрные расчетные схемы: однопролетные с шарнирными опорами, защемленные в опорах балки и многопролетные с шарнирными опорами и защемленными крайними опорами. Показано, при каких условиях неразрезные балки следует рассчитывать по упругой стадии работы стали (как балки первого класса), а при каких – как балок второго и третьего классов с учетом развития пластических деформаций.

Отдельным вопросом студенты знакомятся в лекциях с основами проверок прокатных балок на общую устойчивость. Методика проверки изложена для балок первого класса, а для балок второго и третьего классов учтены особенности для зон пластичности. Все эти вопросы студент должен закрепить в своих умениях в процессе выполнения практических задач в курсовом проектировании.

Таким образом, основные вопросы, которые предлагаются студенту в лекциях для усвоения основ проектирования и расчета балок из прокатных и гнутых профилей, следу-

ющие:

1)общие сведения о балках и балочных системах перекрытий и покрытий;

2)классификация балочных систем;

3)основы компоновки и расчета настилов балочных клеток (рабочих площадок);

4)основы компоновки и расчета балок сплошного сечения из прокатных и гнутых профилей;

5)деление балок на классы в зависимости от назначения и условий эксплуатации;

6)алгоритм расчета разрезных балок из прокатных и гнутых профилей;

7)особенности расчета на прочность неразрезных прокатных двутавровых балок;

8)основы проверок прокатных двутавровых балок на общую устойчивость;

9)основы проверок прокатных двутавровых балок на прогиб (второе предельное состояние).

6,б. Основы проектирования и расчета балок составного сечения (сварных) при статических нагрузках

Здесь в процессе изложения лекций преподаватель знакомит студентов со следующими вопросами:

- основные принципы компоновки поперечного сечения балок исходя из экономических соображений по расходу стали (определяется оптимальная высота поперечного сечения балки постоянного сечения) и из условий допускаемого прогиба (определяется минимальная высота при полном использовании расчетного сопротивления стали на изгиб). При этом обеспечивается необходимая толщина стенки из условий среза от расчетной поперечной силы и из условий ее местной устойчивости (по допускаемой гибкости):

- рекомендуемый алгоритм предварительного подбора расчетного сечения составной сварной балки первого класса, однопролетной с шарнирными опорами, включающей

следующие вопросы:

1)компоновка балочной системы перекрытия (покрытия), включающей балки составного сечения, сварные;

2)выбор расчетной схемы составной сварной балки из системы перекрытия (по-

крытия);

3)выполнение статического расчета с определением расчетных сочетаний усилий М, Q от системы нагрузок;

4)определение оптимальной и минимальной высот поперечного сечения;

5)назначение фактической высоты поперечного сечения балки;

9

6)назначение толщины стенки;

7)определение поперечного сечения поясов;

8)проверки назначенного сечения балки по первому и второму предельным состояниям и корректировки его при необходимости;

- проверки на прочность составных балок постоянного сечения по длине пролета (они аналогичны проверкам прокатных двутавровых балок первого, второго и третьего классов, в том числе и неразрезных);

- для бистальных разрезных двутавровых балок постоянного сечения при установленных ограничениях [2, п. 8.2.8] допускается расчет на прочность с учетом ограниченного развития пластических деформаций как для балок второго класса при изгибе как в плоскости наибольшей жесткости, так и при изгибе в двух главных плоскостях; в зоне чистого изгиба на эти балки распространяется расчет [2, п. 8.2.8] как балок третьего класса с

коэффициентами с xm , с ym , а в опорных сечениях – на полную поперечную силу (п. 8.2.3,

[2]);

-проверки на прогиб сварных балок постоянного сечения аналогичны проверкам прокатных балок, а для балок переменного сечения необходимо использовать дополнительные правила строительной механики;

-проверки сварных балок постоянного сечения по длине пролета на общую устойчивость выполняются по методике прокатных двутавровых балок, за исключением опре-

деления коэффициента « » по другой формуле [2, Приложение ж.3,б; ж.4]; - подробное разъяснение норм делает лектор для студентов о проверке местной

устойчивости стенок сварных двутавровых балок [2, п.8.5] в отсеках между поперечными ребрами жесткости:

1)для балок первого класса местная устойчивость стенки в отсеке между поперечными ребрами жесткости считается обеспеченной, если условная гибкость стенки не превышает нормативных значений [2, п. 8.5.1];

2)если для балок первого класса местная устойчивость стенки в отсеке между поперечными ребрами жесткости по п. 8.5.1 [2] не выполняется, то ее проверки проводятся по более сложным расчетам в зависимости от соотношений расстояния между попереч-

ными ребрами жесткости < а > и высотой стенки < hef >: здесь при отсутствии в отсеке локальной нагрузки рассматривается два случая: а < hef и а > hef ; при наличии в отсеке локальной нагрузки и а > hef также рассматривается два случая: средние усилия М, Q в

наиболее нагруженной части участка а = hef , совпадающие с наличием в нем локальной

нагрузки; сечение с локальной нагрузкой не совпадает со средними усилиями М, Q на участке а = hef ; при этом при отношении а / hef >0,8 для критических напряжений loc,cr рассматриваются нормами [2, п. 8.5.5, б] три варианта для значения < а >: а1=0,5а; а1=0,67а; а1=а для фактических соотношений а / hef ;

3) отдельно рассматривается случай, когда в балках первого класса локальная нагрузка приложена к растянутому поясу [2, п.8.5.5], где местная устойчивость стенки проверяется по двум вариантам учета: х , ср или loc , ср ;

4)отдельно рассматривается местная устойчивость отсека стенки между поперечными ребрами жесткости в балках первого класса с одной осью симметрии и более раз-

витым сжатым поясом;

5)отдельно рассматривается местная устойчивость отсека стенки между поперечными ребрами жесткости в балках первого класса с одной осью симметрии и более раз-

витым растянутым поясом;

6)отдельно рассматривается местная устойчивость стенок балок второго и третьего классов моностальных и бистальных при отсутствии локальной нагрузки в балках с