Строительные конструкции. Металлические конструкции, основания и фундаменты

соединяющему центр тяжести с точкой, в которой определяется напряжение (рис. 5.8 в).

5.2.3. Конструктивные требования к сварным соединениям

Образование сварных соединений сопровождается появлением сварочных напряжений и деформаций. На рис. 5.9 штриховой линией показана возможная форма тавра после выполнения сварных швов. Для уменьшения сварочных напряжений и деформаций следует придерживаться следующих рекомендаций: катеты сварных швов назначать по возможности минимально допустимыми; не допускать пересечения сварных швов и близкого их расположения; располагать сварные швы симметрично относительно центра тяжести сечения. Сварочные напряжения и деформации могут быть уменьшены также с помощью технологических мероприятий: правильным выбором параметров сварки и очередности выполнения сварных швов.

Рис. 5.9. Деформации таврового элемента, вызванные продольной и поперечной усадкой сварных швов

Другим отрицательным следствием сварки является концентрация напряжений в основном металле в местах расположения сварных швов. Для уменьшения этого явления следует ограничивать наименьшее значение как катета шва, так и расчетной длины. Наименьшее значение катета зависит от наибольшей толщины соединяемых элементов (чем больше толщина, тем больше катет), от глубины проплавления (при автоматической сварке больше, чем при ручной) и от прочности металла соединяемых элементов (чем выше прочность, тем больше катет). Наименьшее значение катета шва, обусловленное технологией сварки, равно 3 мм для автоматической и полуавтоматической сварки и 4 мм для ручной сварки.

70

Катеты швов могут иметь только целые значения, при этом до 10 мм они могут иметь как четные, так и нечетные значения, а свыше 10 мм — только четные. Расчетная длина сварного шва должна быть не меньше 40 мм или 4 • kj.

Согласно нормативным документам ограничиваются также максимальное значение катета и максимальная длина флангового углового шва. Первое ограничение связано с тем, что чрезмерное увеличение катета, не повышая несущую способность соединения, может привести к прожогу основного металла, к увеличению концентрации напряжений и, кроме того, требует дополнительных трудозатрат и увеличивает расход сварочных материалов и электроэнергии. Согласно нормам, катет сварного шва не должен быть более 1,2 • t, где t — меньшая толщина соединяемых элементов. При расположении шва вдоль закругленной кромки, например, вдоль полки уголка, наибольшее значение катета уменьшается и составляет 0,9 от толщины уголка. С другой стороны, для сокращения трудозатрат катеты сварных швов следует назначать такими, чтобы их можно было выполнить за один проход, так как при многопроходном шве требуется зачистка каждого предыдущего слоя наплавленного металла от шлака и брызг. С этой точки зрения, оптимальный размер катета следует принимать равным 8 мм. При сварке «в лодочку» оптимальный размер катета увеличивается примерно в полтора раза для ручной и полуавтоматической сварки и в два раза — для автоматической.

Второе ограничение связано с неравномерным распределением напряжений вдоль длины сварного шва (рис. 5.10). Наибольшие напряжения возникают по краям сварного шва, уменьшаясь к его середине. При слишком длинных швах их средняя часть оказывается не вовлеченной в работу, и тогда несущая способность сварного шва с увеличением его длины не возрастает (рис. 5.10, б). Согласно нормам, расчетная длина сварного углового шва не должна превышать 85 • (3, • kИсключение составляют сварные швы, усилия на которые передаются непрерывно по их длине, например, поясные швы в составных балках.

При соединении толстых элементов необходимо для полного проплавления предусматривать разделку кромок (рис. 5.11). При односторонней ручной сварке разделку кромок следует предусматривать при толщине

71

более 8 мм, при полуавтоматической — более 12 мм и при автоматической

— более 14 мм. Если сварка двусторонняя, то наименьшая толщина, при которой требуется разделка кромок, увеличивается в 1,5 раза.

Рис. 5.10. Распределение напряжений вдоль флангового сварного шва (а), зависимость несущей способности шва от его длины (б)

I40V-

Рис. 5.11. Разделка кромок соединяемых элементов

Прерывистые сварные швы допускается применять лишь в слабонагруженных конструкциях (о < 0,4 Ry ), при этом расположение участков сварного шва должно соответствовать рис. 5.12. Размер b принимается равным 18/ для сжатых элементов и 24/ для растянутых (t — наименьшая толщина соединяемых элементов). Расчетная длина участков сварного шва (размер а) должна быть не меньше 40 мм или 4k^

Рис. 5.12. Прерывистый сварной шов

72

Пример. 2.

Расчет сварного соединения (рис. 5.8 а). Исходные данные: N300 кН, толщина листа ^ = 10 мм, номер швеллера — 20, толщина полки швеллера /2 = 9 мм, материал-сталь С245, сварка — ручная покрытым электродом, группа конструкций — 2, климатический район — II2, Yc = Y n = 1- Требуется определить значение нахлеста

Решение. По таблице 55 принимается тип электрода Э42А. По таблице 56 определяется расчетное сопротивление металла сварного шва: R w f ~ 180 МПа. То же по границе сплавления:

пользованные выше, приведены в [1]. Из формул (5.16) и (5.17) определяются длины одного сварного шва:

lw — 23,3 см. Принятая длина сварного шва должна находиться в интервале:

ляется поровну между обоими фланговыми швами.

73

Глава VI. МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПЛОЩАДОК

6.1. Типы площадок

Технологические площадки предназначены для установки или обслуживания технологического оборудования. Наиболее распространенная схема расположения конструктивных элементов технологической площадки приведена на рис. 6.1 а: листы настила укладываются на балки настила, которые, в свою очередь, опираются на главные балки, закрепляемые на вертикальных стойках (колоннах). Вторая схема технологических площадок (рис. 6.1 б) может быть использована при наличии близко расположенных непрерывных опор, например, стен. Третья схема расположения конструктивных элементов (рис. 6.1 в) используются в случае, если балки настила по первой схеме приходиться назначать из условия жесткости, т.е. без полного использования прочности металла. Это случается при большом пролете балок настила 1Ь и малой нагрузке. В этом случае пролет балок настила уменьшается за счет использования вспомогательных балок. Расчет и конструирование несущих элементов по первой, второй и третьей схемах расположения элементов не имеют принципиальных отличий, и поэтому в дальнейшем будет рассматриваться только первая схема технологических площадок.

Настил площадок может быть из гладкого листа, профилированного настила или железобетона. Балки настила рекомендуется предусматривать из прокатных профилей: из швеллеров или двутавров. Главные балки могут быть прокатными или составными: из трех листов, соединяемых с помощью сварки. Как правило, отметка верха площадок, пролет главных балок / и балок настила Zfc диктуются технологическими условиями. Шаг балок настила (пролет настила) может назначаться, исходя из технологических требований, например, исходя из габаритов устанавливаемого оборудования. Однако, в большинстве случаев, шаг балок настила определяется экономическими показателями: стоимость одного квадратного метра технологической площадки должна быть наименьшей.

74

Рис. 6.1. Схемы расположения конструктивных элементов технологических площадок: 1 — листы настила; 2 — балки настила; 3 — главные балки; 4 — колонны; 5 — стены; 6 — вспомогательные балки; 7 — вертикальные связи

Для определения пролета настила, обеспечивающего минимум затрат, составляется целевая функция стоимости настила и балок настила с учетом стоимости металла и других материалов, трудозатрат при изготовлении и монтаже в зависимости от пролета настила. Целевая функция составляется на основе удовлетворения требованиям прочности и жесткости. Как правило, с уменьшением пролета настила уменьшается расход металла, но при этом возрастает количество изготавливаемых и монтируемых конструкций и, следовательно, увеличивается трудоемкость изготовления и монтажа. Решение задачи сводится к определению аргумента (пролета настила), при котором суммарная стоимость настила и балок настила «в деле» будет наименьшей.

Ниже приведена формула по определению пролета стального настила, являющаяся результатом решения оптимизационной задачи:

75

стоимости 1 т балок настила; k^ — отношение стоимости монтажа одного листа настила к заводской стоимости 1 т балок настила(под заводской стоимостью подразумевается суммарная стоимость изготовления и основных материалов); Ц/ — отношение пролета настила к его толщине, полученное из условия обеспечения требуемой жесткости:

значение принимается наибольшее. В приведенных выше выражениях: п0, nQ1 — предельные отношения пролета настила и пролета балок настила к их прогибам; Е-модуль упругости (кН/м2 ); qn, q — нормативная и расчетная нагрузки (кН/м 2 ); Ry — расчетное сопротивление (кн/м2 ).

Формула (6.1) является эмпирической, поэтому при ее использовании следует строго придерживаться единиц измерения, указанных в скобках. Пролет настила рекомендуется принимать в интервале: 0,4...1,2 м и при этом следует учитывать также ширину листов, указанную в сортаменте. Приведенная формула верна в пределах существующего сортамента: для балок настила требуемый момент сопротивления не должен превышать 0,003 м3, а требуемый момент инерции / ^ — 0,0008 м4.

Продольная и поперечная жесткость балочных площадок может обеспечиваться за счет жесткого сопряжения колонн с фундаментами или с балками площадки, или с помощью вертикальных связей, устанавливаемых между колоннами (рис. 6.1, разрез а—а).

76

Пример 3. Определение пролета настила балочной площадки

Принимается наибольшее значение: / =0625 м.

6.2.Расчет настила

Внастоящем разделе рассматривается расчет настила только из гладкого стального листа. Для упрощения аналитических зависимостей в дальнейшем рассматривается полоса настила шириной, равной единице

*Стоимость стали и стоимость монтажа принята по состоянию на 1.01.96.

Т1

(рис. 6.2). Расчет настила сводится к определению его толщины f и проверке прочности и жесткости принятого сечения.

При расчете настила используются три расчетные схемы. При IJ(( <50 настил рассчитывается как однопролетный изгибаемый элемент на шарнирных опорах (рис. 6.3 а). Условие прочности при такой расчетной схеме записывается в виде:

При расчете настила, кроме условия прочности, необходимо обеспечивать требуемую жесткость, поэтому необходимо еще раз определить толщину настила, но уже из формулы по определению прогиба:

окончательной принимается наибольшая толщина, которая в дальнейшем приводится в соответствии с сортаментом (округление производится в большую сторону). После назначения толщины настила необходимо проверить исходное условие: \ J t < 50.

78

При отношении 50 < / //и < 300 настил рассчитывается на изгиб с растяжением (рис. 6.3, б). Толщина настила в этом случае определяется отношением: t = /н/\|/, затем полученное значение округляется в большую сторону в соответствии с сортаментом. Проверка прочности и жесткости производится как для растянуто-изгибаемого элемента:

где Н — растягивающее усилие (распор); М — изгибающий момент; А, W — соответственно площадь и момент сопротивления сечения настила шириной равной единице.

Pwc. 6.3. Расчетные схемы настила

Для растянуто-изгибаемого элемента прогиб / будет меньше, чем прогиб для изгибаемого /д. Исходя из этого, зависимость между ними можно представить в виде:

где а > 0.

Учитывая линейную зависимость между прогибом и изгибающим

где Mg — изгибающий момент, определенный как для изгибаемого элемента. Зависимость (6.8) можно представить в другом виде:

Приравняв (6.8) и (6.9) и выразив / через Mg , получим выражение для определения распора:

79