Строительные конструкции. Металлические конструкции, основания и фундаменты

условиям эксплуатации перемещений (прогибов, осадок, углов п о в о р о т а ) , колебаний, трещин (только для железобетонных конструкций). Аналитически предельные состояния можно представить в виде:

где N — усилие, действующее на конструкцию (функция нагрузок и пролета конструкций); F — предельное усилие, которое может воспринять конструкция (функция геометрических параметров, механических характеристик материала, условий работы); / — перемещение конструкции (функция нагрузок, геометрических параметров, модуля деформации); / — предельное значение перемещений, допустимое по условиям эксплуатации; Yc — коэффициент условий работы, учитывает влияние температуры, влажности и агрессивности среды, длительность воздействия и его многократную повторяемость, приближенность расчетных схем и принятых предпосылок расчета, перераспределение силовых факторов и деформаций; уп — коэффициент надежности по назначению( по ответственности), принимаемый в зависимости от уровня ответственности здания или сооружения, который, в свою очередь, определяется размером материального и социального ущерба, возможного при достижении конструкциями предельного состояния.

По этому признаку здания и сооружения подразделяются на три уровня: для 1-го уровня (атомные станции, гидротехнические плотины и т. д.) 0,95 < Yn — 1,2; для 2-го уровня (промышленные и гражданские здания и сооружения) Yn — 0,95, для 3-го уровня (склады, одноэтажные жилые постройки) 0,8 < у„ < 0,95. Для временных зданий и сооружений со сроком службы до 5 лет у„= 0,8. Выбор значений коэффициента Уп производится проектной организацией по согласованию с заказчиком.

Концепция расчета конструкций по предельным состояниям предполагает, что предельное состояние в пределах нормативного срока службы не достигается.

10

1.3. Нормативные и расчетные сопротивления материалов

При расчете строительных конструкций в качестве характеристик прочности используются нормативные и расчетные сопротивления. Нормативное сопротивление назначается равным значению контрольной или браковочной характеристики. Например, для металла нормативное сопротивление растяжению, сжатию и изгибу принимается равным или пределу текучести или, если допускается работа металла за пределом упругости, временному сопротивлению. В связи с тем, чта характеристики прочности, например, предел текучести или временное сопротивление, для одного материала не имеют строго определенного постоянного значения, то в качестве нормативного сопротивления применяется значение, обеспеченность которого составляет не менее 0,95. Т. е., если испытать 1000 образцов одного и того же материала, то как минимум 950 из них будут иметь фактическую характеристику прочности не ниже нормативного сопротивления.

Расчетные сопротивления получаются делением нормативных сопротивлений на коэффициент надежности по материалу у , который учитывает возможные отклонения характеристик прочности в неблагоприятную сторону от их нормативных значений. Численные значения коэффициента надежности по материалу принимаются в зависимости от свойств материала, их статистической изменчивости, а также от нестатистических факторов, например, от уровня прочности материала: чем выше прочность, тем больше значения указанного коэффициента при прочих равных условиях.

1.4. Нагрузки и воздействия

При проектировании строительных конструкций должны учитываться нагрузки, возникающие как в стадии эксплуатации, так и при изготовлении, транспортировке, хранении и монтаже конструкций.

По времени действия нагрузки бывают: постоянные (вес постоянных частей зданий, давление грунта, пред. напряжение — эти нагрузки неизменны во времени) и временные, которые, в свою очередь, подразделяются на

— временные;

11

— длительные (вес стационарного оборудования, давление газов, сыпучих и др.);

— кратковременные (нагрузки от снега, ветра, гололеда, т е м п е р а т у р н ы е воздействия, нагрузки от подъемных механизмов, от людей, нагрузки, возникающие при ремонте, транспортировке, монтаже и др. );

— особые (сейсмические воздействия, нагрузки, вызванные неисправностью оборудования и неравномерной осадкой грунта).

Некоторые кратковременные нагрузки могут рассматриваться как длительные, но с пониженным значением (примерно 20...30% от полного значения). Это делается в расчетах, где учитывается длительность воздействия нагрузки, например, в расчетах на выносливость.

Значения нагрузок являются случайными, изменяющимися во времени и пространстве. В нормах основными характеристиками нагрузок являются их нормативные значения. В дальнейшем эти нагрузки будут обозначаться буквами с индексом «п» (qn, рп, и т. д.). Нормативная нагрузка — это детерминированное значение нагрузки как случайной величины. Оно назначается на основе статистических наблюдений при их обработке методами теории вероятностей и теории надежности. Например, нормативная ветровая нагрузка определятся по формуле:

где р — плотность воздуха; V — скорость ветра (величина переменная во времени и пространстве).

Значения скорости ветра определяются на основании многолетних наблюдений для каждого района на уровне 10 метров от поверхности земли (этим занимаются метеостанции, расположенные по всей стране). В качестве значения скорости ветра для определения нормативной нагрузки принимается значение, вероятность превышения которого является незначительной, например, которая может быть превышена только один раз в течение 5...7 лет. Иногда статистических данных нет, и тогда значение нормативной нагрузки назначается на основе инженерного опыта. Например, нагрузки от людей, нагрузки, возникающие при ремонте и т. д.

Изменчивость нагрузки и влияние (значимость) этой изменчивости учитываются коэффициентом надежности по нагрузке (коэффициентом пере-

12

грузки). Нормативная нагрузка, умноженная на коэффициент надежности по нагрузке называется расчетной. Значение коэффициента надежности по нагрузке зависит от вида нагрузки, например, для ветровой нагрузки он равен 1,4; крановой — 1,1. Если нагрузка оказывает благоприятное влияние на работу конструкций, то значение этого коэффициента принимается меньше единицы.

Нагрузки действуют на конструкции не раздельно, а в сочетании друг с другом, т. е. конструкции находятся под воздействием, как правило, нескольких из них. Например, балки покрытия находятся под воздействием собственного веса и снега; колонны промзданий воспринимают нагрузки от собственного веса, грузоподъемного крана и т. д. Сочетания нагрузок устанавливаются исходя из физически реальных вариантов одновременного их действия. При расчете строительных конструкций используют, в большинстве случаев, два сочетания: основное, которое включает в себя постоянные, временные, длительные и кратковременные нагрузки, и особое, куда входят те же нагрузки, что и в основном сочетании, плюс одна особая нагрузка. Во всех сочетаниях постоянная нагрузка учитывается всегда, другие нагрузки могут быть, а могут и отсутствовать. При одновременном действии нескольких нагрузок вероятность того, что все они в одно и то же время и в одном и том же месте будут иметь наибольшее значение, как правило, не равна единице. Этот фактор учитывается введением в расчетные формулы коэффициента сочетаний значения которого <1,0. В основном сочетании, включающем только две нагрузки (постоянную и одну временную) коэффициент сочетаний принимается равным единице. В основном сочетании, включающем две и более временные нагрузки, значение временной длительной нагрузки понижается умножением ее на коэффициент сочетаний, равный 0,95, а кратковременной нагрузки — на 0,9. При возможности разграничения удельного влияния кратковременных нагрузок допускается учитывать их в основном сочетании следующим образом: первую по степени влияния принимать без понижения , вторую — умножать на 0,8, все остальные — на 0,6. В особом сочетании временные длительные нагрузки умножаются на 0,95, кратковременные — на 0,8, а особая нагрузка учитывается без понижения. Приведенные выше значения коэффициентов сочетаний не имеют строгого математического обоснования и приняты на основе инженерного опыта.

13

Раздел II. МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ

Глава 11. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ

МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ

2.1. Основные свойства металлов

Для изготовления металлических конструкций используются преимущественно стали и в редких случаях сплавы алюминия. Сталь — это железоуглеродистый сплав, основными элементами которого по степени влияния являются железо и углерод. Сплавы алюминия, применяемые в металлических конструкциях, изготавливаются на основе алюминия и одного или нескольких легирующих элементов.

Материалы, используемые для изготовления металлических конструкций, должны обладать следующими свойствами: сопротивлением статическим и динамическим воздействиям, пластичностью, сопротивлением расслоению и свариваемостью. Сопротивление статическим воздействиям характеризуется пределом пропорциональности, пределом текучести и временным сопротивлением. На рис. 2.1, где приведена зависимость между напряжениями СУ и относительными деформациями Е при растяжении образца, указанные характеристики обозначены соответствен-

14

но: Op <Зу, Оц. Предел пропорциональности — это наименьшее напряжение, при котором нарушается линейная связь между напряжениями и деформациями. Предел текучести может быть физическим (для низкоуглеродистых сталей) и условным. Физический предел текучести — это наименьшее напряжение, при котором образец деформируется без увеличения растягивающих напряжений. На рис. 2.1 физическому пределу текучести соответствует «площадка текучести» (горизонтальная часть диаграммы «папряжение-деформация»). Условный предел текучести 0()2 — это напряжение, при котором остаточное удлинение образца составляет 0,2%. Условный предел текучести используется для металлов, диаграмма которых не имеет «площадки текучести».

Рис. 2.1. Диаграммы «напряжение—дефомация»:

Сопротивление динамическим воздействиям характеризуется ударной вязкостью (ан), которая определяется как отношение работы, расходуемой для ударного излома образца, к поперечному сечению образца в месте излома.

Ударная вязкость является комплексной характеристикой: кроме оценки сопротивления динамическим воздействиям, ударная вязкость оценивает чувствительность металла к концентрации напряжений и определяет вид разрушения (хрупкое или вязкое). В изломе можно выделить два участка: с волокнистой структурой (здесь произошло вязкое разрушение) и с зернистой структурой (здесь произошел хрупкий разрыв). Чем больше вязкий участок, тем лучше металл работает при динамических нагрузках.

15

С понижением температуры доля вязкого участка уменьшается. Температура, при которой доля участка, где произошло вязкое разрушение, уменьшается до пуля, называется пределом хладноломкости.

Пластичность £т а х характеризуется отношением приращения расчетной длины образца после его разрыва к первоначальному значению расчетной длины. Сопротивление расслоению определяется наименьшим диаметром стержня, вокруг которого образец загибается на 180° без появления трещин. Свариваемость — это свойство металла образовывать сварные соединения без снижения его механических характеристик. Она определяется химическим составом стали. Например, повышенное содержание углерода ухудшает свариваемость.

2.2Химический состав сталей

Всталях на долю железа приходится 90...98,5%, а доля углерода составляет 0,09...2%. Кроме указанных элементов, в сталях присутствуют кремний, марганец, медь, хром, никель, фосфор и сера. Влияние химических элементов на свойства стали указано в таблице 2.1.

Примечания: Знак + обозначает увеличение (улучшение); «+» означает значительное увеличение; — — уменьшение (ухудшение); «—» — означает значительное уменьшение.

16

фосфор и сера относятся к вредным примесям: фосфор делает сталь « х л а д н о л о м к о й » , склонной к хрупким разрушениям при отрицательной т е м п е р а т у р е , а сера делает сталь «красноломкой», склонной к образованию трещин при высокой температуре, например, при сварке. Присутствие фосфора и серы в составе стали обусловлено химическим составом руды. Кроме фосфора и серы, на свойства сталей отрицательно влияют кислород и азот. Однако азот (символ этого элемента буква «А») в химически связанном состоянии с алюминием, титаном, ванадием (символ «Ф») и ниобием используется для улучшения свойств стали. При этом содержание азота не превышает 0,03%.

В состав легированных сталей специально вводят химические элементы, улучшающие те или иные свойства. Для этой цели, кроме ранее названных элементов, используют алюминий, вольфрам, марганец, медь, молибден, никель, титан, хром, фосфор (для повышения коррозийной стойкости)

2.3. Классификация стали

По содержанию углерода стали бывают низкоуглеродистые (с содержанием углерода не более 0,25% по весу), среднеуглеродистые (с содержанием углерода 0,25...0,6%) и высокоуглеродистые (с содержанием углерода более 0,6%). Кроме железа и углерода в состав железоуглеродистых сплавов входят и другие химические элементы, присутствие которых обусловлено химическим составом руды. Такие стали называются углеродистыми. Иногда химические элементы вводят специально в состав сталей для улучшения (легирования) их свойств. Такие стали называются легированными. По количеству легированных элементов различают стали низколегированные (с содержанием легирующих элементов не более 2,5%), среднелегированные (с содержанием легирующих элементов не более 5 % ) и высоколегированные (с содержанием легирующих элементов более 5%). Для строительных металлоконструкций применяют, как правило, низкоуглеродистые и низколегированные стали как имеющие оптимальные сочетания свойств.

Исходя из механических характеристик, различают стали обычной прочности (СТц< 420 М Д В У К С Ш А & Ш С Ш Э Т Э Ф ^ 550) и высокой

17

прочности (C7u> 550 МПа) . Углеродистые и легированные стали классифицируются по маркам: углеродистые — СтО, Ст1, Ст2, СтЗ, Ст4, Ст5, Стб (ГОСТ380); легированные — 09Г2С, 15ХСНД, 08ГСДП, 1 2 Г Н 2 М Ф А Ю и т.д. ( Г О С Т 19281). Для марок углеродистой стали буквосочетание «Ст» означает сталь, цифра-порядковый номер (чем больше номер, тем больше углерода). Для легированных сталей первые цифры указывают на содержание углерода в сотых долях процента, буквы являются символами химических элементов. Символы элементов приведены в параграфе 2.2. Цифры после буквы указывают процентное содержание данного элемента (при содержании, меньшим 1%, цифра, как правило, не ставится). Углеродистые и легированные стали классифицируются также по классам прочности (ГОСТ27772): углеродистые — С235, С245, С255, С275, С285; низколегированные стали — С345, С345К, С375, С.390, С.590, С590К. Буква «С» в обозначении

стали указывает на принадлежность к строительству, цифра после буквы «С» указывает номинальное значение предела текучести в Мпа. Буква «К» после цифр указывает на модификацию по химсоставу. Классификация по классам прочности определяется механической прочностью стали в готовой продукции — в листовом и фасонном прокате (к фасонному прокату относятся уголки, тавры, двутавры и швеллеры). Прочность проката зависит не только от химсостава и термической обработки стали, но и от вида проката (прочность листового проката меньше, чем фасонного),от толщины проката (с увеличением толщины прочность снижается). Уменьшение прочности является следствием того, что при изготовлении листового проката, металл подвергается меньшему обжатию, чем при изготовлении фасонного проката. То же имеет место при изготовлении толстого проката по сравнению с тонким. Кроме того, с увеличением толщины металл после прокатки остывает медленнее, что также приводит к уменьшению прочности.

При разливке стали из нее выделяются газовые образования (в основном, кислород), сталь как бы кипит. При затвердении мельчайшие пузырьки газа остаются в металле и ухудшают его механические свойства. Такая сталь называется кипящей (обозначается буквами «кп»). Для ликвидации кипения и для улучшения свойств стали в нее добавляют

18

раскислители (кремний 0,12...0,3% или алюминий 0,1%). Такая сталь называется спокойной (обозначается буквами «сп»). Спокойная сталь является более однородной и мелкозернистой, лучше сопротивляется динамическим воздействиям и хрупкому разрушению. Спокойная сталь на 10...15% дороже кипящей. При добавлении промежуточного количества раскислителя получают полуспокойную сталь (обозначается буквами «пс»), которая имеет промежуточные механические свойства и стоимость.

Для всех указанных сталей, кроме стали С235, ударная вязкость гарантируется. Исключение составляет стальной прокат толщиной, как правило, менее 4 и более 40 мм. Условия, при которых гарантируется ударная вязкость, определяются категориями: для углеродистых сталей их 5, для легированных — 15. Категория записывается после марки или класса прочности, например, стЗкп2, С345-4.

Выбор стали для металлических конструкций осуществляется в зависимости от вида нагрузки, температурных условий эксплуатации и вида соединений, а также в зависимости от степеней ответственности конструктивного решения. Физические характеристики стали приведены

19