Электронный учебно-методический комплекс по дисциплине Металлические конструкции для студентов специальности 1-70 02 01 – «Промышленное и гражданское строительство»
.pdfМИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ
Белорусский национальный технический университет Кафедра Строительные конструкции
Электронный учебно-методический комплекс по дисциплине:
«МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ»
для студентов специальности 1-70 02 01 – «Промышленное и гражданское строительство»
Минск БНТУ 2020
Составители:
Е.Ю. Давыдов, А.Г. Вербицкий, Ф.А. Веревка,К.В. Кононович
Рецензенты:
Лазовский Е.Д. зав.кафедры «Строительные конструкции» Полоцкого государственного университета, к. т. н., доцент.; Зайцев А.П. главный инженер ЗАО «БЕЛПРОЕКТСТАЛЬКОНСТРУКЦИЯ»;
УМК содержит данные об основных сведениях по курсу изучения металлических конструкций, в соответствии с программой дисциплины и в соответствии требованиями действующих норм проектирования
Белорусский национальный технический университет Пр-т Независимости, 65, г.Минск, Республика Беларусь Тел. (017)232-77-52 факс (017)232-91-37
Е-mail:psf@bntu.by http://www.bntu.by
© БНТУ, 2020 © Е.Ю. Давыдов, А.Г. Вербицкий, Ф.А. Веревка, К.В. Кононович 2020
2
СОДЕРЖАНИЕ |
|
ПРЕДИСЛОВИЕ .................................................................................................................................................................... |
5 |
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА ........................................................................................................................................... |
7 |
I. Введение в предмет ............................................................................................................................................................ |
7 |
II. Металлы для металлических конструкций.................................................................................................................... |
10 |
Основные свойства металлов .......................................................................................................................................... |
10 |
Химический состав сталей .............................................................................................................................................. |
11 |
Классификация стали....................................................................................................................................................... |
14 |
4-ая лекция. ....................................................................................................................................................................... |
15 |
Сплавы алюминия. ........................................................................................................................................................... |
15 |
Сортамент ......................................................................................................................................................................... |
18 |
III. РАБОТА МЕТАЛЛОВ ПОД НАГРУЗКОЙ ................................................................................................................. |
21 |
Работа металлов при одноосном напряженном состоянии .......................................................................................... |
21 |
Работа металлов при двухосном и трехосном напряженном состоянии ..................................................................... |
22 |
Работа металлов при концентрации напряжений .......................................................................................................... |
25 |
Работа металлов при повторяющихся нагрузках........................................................................................................... |
26 |
IV. Основы расчёта металлических конструкций. ............................................................................................................ |
29 |
Метод расчета по предельным состояниям ................................................................................................................... |
29 |
Нормативные и расчетные сопротивления материалов ................................................................................................ |
30 |
Нагрузки и воздействия ................................................................................................................................................... |
31 |
Расчет центрально-нагруженных элементов.................................................................................................................. |
33 |
Расчет изгибаемых элементов......................................................................................................................................... |
35 |
Расчет на прочность при упругой работе металла ........................................................................................................ |
36 |
Расчет на прочность при упруго-пластической работе металла .................................................................................. |
38 |
Проверка общей устойчивости ....................................................................................................................................... |
40 |
Проверка жесткости......................................................................................................................................................... |
41 |
Расчет элементов, подверженных действию осевой силы с изгибом .......................................................................... |
41 |
Расчет на прочность при упругой работе металла ........................................................................................................ |
42 |
Расчет на прочность при упруго-пластической работе металла .................................................................................. |
43 |
Расчет на общую устойчивость в плоскости изгиба ..................................................................................................... |
44 |
Расчет на общую устойчивость внецентренно-сжатых элементов. ............................................................................. |
47 |
Местная устойчивость металлических конструкций ................................................................................................... |
50 |
Расчет металлических конструкций на выносливость .................................................................................................. |
53 |
V.Соединения в металлических конструкциях.................................................................................................................. |
55 |
Болтовые соединения....................................................................................................................................................... |
55 |
Болтовые соединения на обычных болтах ..................................................................................................................... |
55 |
Расчет соединений на обычных болтах...................................................................................................................... |
56 |
Болтовые соединения на высокопрочных болтах ..................................................................................................... |
58 |
Расчет сдвигоустойчивых соединений на высокопрочных болтах.......................................................................... |
59 |
Фланцевые соединения.................................................................................................................................................... |
61 |
Сварные соединения ........................................................................................................................................................ |
62 |
Расчет сварных соединений с применением стыковых швов .................................................................................. |
63 |
Расчет сварных соединений с применением угловых швов ..................................................................................... |
64 |
Конструктивные требования к сварным соединениям.............................................................................................. |
67 |
VI. Металлические конструкции технологических площадок ......................................................................................... |
73 |
Типы технологических площадок................................................................................................................................... |
73 |
Расчет балок настила (прокатных балок) ....................................................................................................................... |
75 |
Расчет главных (составных) балок ................................................................................................................................. |
77 |
Компоновка сечений составных балок....................................................................................................................... |
77 |
Изменение сечений составных балок ......................................................................................................................... |
80 |
Расчет соединения пояса со стенкой .......................................................................................................................... |
81 |
Проверка местной устойчивости стенки балок ......................................................................................................... |
84 |
Бистальные балки............................................................................................................................................................. |
88 |
Балки с перфорированной стенкой ................................................................................................................................. |
91 |
Узлы сопряжений балок между собой............................................................................................................................ |
93 |
Центрально-сжатые колонны .......................................................................................................................................... |
95 |
Конструирование сплошностенчатых колонн ........................................................................................................... |
95 |
Расчет сплошностенчатых колонн.............................................................................................................................. |
96 |
|
3 |
Конструирование сквозных колонн............................................................................................................................ |
98 |
Расчет сквозных колонн .............................................................................................................................................. |
99 |
Расчет соединительных деталей сквозных колонн.................................................................................................. |
101 |
Конструктивные решения баз центрально-сжатых колонн .................................................................................... |
102 |
Расчет баз.................................................................................................................................................................... |
105 |
Оголовки колонн. Узлы сопряжения колонн с балками ......................................................................................... |
108 |
VII. Фермы покрытий зданий и сооружений ................................................................................................................... |
114 |
Общая характеристика ферм ......................................................................................................................................... |
114 |
Определение усилий в стержнях ферм ......................................................................................................................... |
116 |
Типы сечений стержней................................................................................................................................................. |
118 |
Определение расчетных длин стержней ферм............................................................................................................. |
120 |
Подбор сечений стержней ферм ................................................................................................................................... |
121 |
Конструирование и расчет рядовых узлов ферм ......................................................................................................... |
123 |
Опорные узлы ферм ....................................................................................................................................................... |
125 |
Монтажные узлы ферм .................................................................................................................................................. |
129 |
VIII. ОДНОЭТАЖНЫЕ ПРОМЫШЛЕННЫЕ ЗДАНИЯ................................................................................................ |
132 |
Общая характеристика промзданий.............................................................................................................................. |
132 |
Основы компоновочных и конструктивных решений ................................................................................................ |
133 |
Конструктивные решения покрытий ........................................................................................................................ |
134 |
Стены. Фахверк .......................................................................................................................................................... |
136 |
Связи ........................................................................................................................................................................... |
138 |
Определение размеров поперечной рамы здания........................................................................................................ |
142 |
Основы расчета поперечных рам зданий ..................................................................................................................... |
144 |
Определение нагрузок на ПРЗ .................................................................................................................................. |
144 |
Определение усилий в элементах ПРЗ ..................................................................................................................... |
147 |
Проектирование колонн промышленных зданий ........................................................................................................ |
149 |
Определение расчетных длин ....................................................................................................................................... |
149 |
Конструирование и расчет одноступенчатых колонн ................................................................................................. |
152 |
Конструирование и расчет узла сопряжения надкрановой части колонны с подкрановой ..................................... |
156 |
Конструирование и расчет баз ...................................................................................................................................... |
157 |
Расчет анкерных (фундаментных) болтов.................................................................................................................... |
160 |
Лабораторные работы по сварке....................................................................................................................................... |
208 |
Лабораторная работа № 1 .............................................................................................................................................. |
210 |
Лабораторная работа № 2 .............................................................................................................................................. |
224 |
Лабораторная работа № 3 .............................................................................................................................................. |
238 |
Лабораторная работа № 4 .............................................................................................................................................. |
247 |
Лабораторная работа № 5 .............................................................................................................................................. |
255 |
Лабораторная работа № 6 .............................................................................................................................................. |
263 |
Практические занятия ........................................................................................................................................................ |
277 |
4
ПРЕДИСЛОВИЕ
Прогресс в области строительства во многом определяется уровнем развития металлических конструкций, которые в промышленном строительстве, а также в строительстве общественных зданий и сооружений являются доминирующими. Поэтому подготовка кадров для проектирования объектов с конструктивными формами из металла является важнейшей задачей высшей школы РБ. Предполагается, что создание данного УМК будет способствовать решению указанной задачи.
УМК включает в себя:
– программу курса «Металлические конструкции» для студентов специальности 1-70 02 01 «Промышленное и гражданское строительство»;
–теоретический раздел (лекции по курсу «Металлические конструкции»);
–практический раздел (состав практических занятий и примеры решения
задач);
–лабораторный практикум по сварке;
–состав и примеры выполнения курсовых проектов КП1 и КП2;
–раздел, посвященный контролю знаний;
–вспомогательный раздел, посвященный методическому обеспечению курса «Металлические конструкции».
В теоретическом разделе излагаются следующие темы:
1. Введение в курс «Металлические конструкции. Исторические периоды развития металлических конструкций, область применения, преимущества и недостатки металлических конструкций, основные требования к металлическим конструкциям;
2. Материалы, применяемые для изготовления металлических конструкций. Химический состав, структура и классификация стали и сплавов алюминия. Физические характеристики. Сортамент
3. Работа стали под нагрузкой. Работа стали при одноосном, двух и трехосном напряженном состоянии. Работа стали при концентрации напряжений
ипри переменных нагружениях.
4. Основы расчета металлических конструкций методом предельных состояний. Основные особенности метода. Определение расчетных характеристик металлов и нагрузок; расчет конструкций при осевом нагружении, при изгибе, внецентренном сжатии и при кручении; расчет металлических конструкций на выносливость и с учетом хрупкого разрушения.
5. Соединения, используемые для изготовления и монтажа металлических конструкций. Сварные соединения, конструктивные решения, основы расчета. Болтовые соединения: виды болтовых соединений, конструктивные решения и основы расчета.
6. Технологические площадки. Виды технологических площадок. Расчет стального настила. Расчет прокатных балок. Компоновка и расчет составных
5
балок. Конструирование и расчет центрально-сжатых колонн. Узлы сопряжений конструктивных элементов технологических площадок.
7. Фермы в покрытиях производственных зданий. Классификация ферм.
Определение усилий в стержнях ферм. Подбор сечений стержней ферм. Конструирование и расчет узлов ферм.
8. Одноэтажные производственные здания. Общие сведения. Типы покрытий. Стены, фахверк, аэрационные фонари. Связи. Компоновка поперечных рам здания (ПРЗ). Основы расчета ПРЗ (определение нагрузок, определение усилий, составление РСУ). Конструирование и расчет одноступенчатых внецентренно-сжатых колонн (компоновка сечений, проверочные расчеты) Узлы сопряжений. Подкрановые конструкции (конструктивные решения, определение усилий, проверочные расчеты).
9. Специальные металлические конструкции для зданий и сооружений.
Большепролетные конструкции покрытий (балочные, рамные, арочные). Узловые сопряжения. Основы расчета. Пространственные стержневые конструкции. Виды конструктивных решений. Узловые сопряжения. Основы расчета. Вантовые висячие системы покрытий. Общие характеристики, виды конструктивных форм с применением вант. Основы расчета.
10.
сооружений. Примеры применения тонколистовых металлических оболочек в покрытиях зданий и сооружений. Преимущества и недостатки. Варианты архитектурных решений. Основы расчета.
11. Стальные каркасы многоэтажных зданий. Виды каркасов многоэтажных зданий. Особенности компоновки и расчета. Виды узловых соединений. Особенности расчета.
12. Высотные сооружения. Особенности определения ветровых нагрузок. Виды конструктивных решений. Башни, мачты, опоры ЛЭП. Особенности конструирования и основы расчета.
6
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
Учебная программа по учебной дисциплине «Металлические конструкции» разработана для специальности 1-70 02 01 «Промышленное и гражданское строительство».
Дисциплина «Металлические конструкции» является одной из ведущих дисциплин, формирующей инженерный подход к пониманию устройства и действительной работы конструктивных систем зданий и сооружений и развивающей навыки конструирования и расчета строительных металлических конструкций.
Цель дисциплины - дать студентам знания, необходимые для понимания работы конструктивных элементов и систем, развития навыков инженерного анализа, конструирования и расчета строительных металлических конструкций, подготовке их к профессиональной деятельности в области проектирования металлических конструкций.
Задачи изучения дисциплины:
-овладение принципами проектирования, методами компоновки и технико - экономического анализа металлических конструкций;
-формирование навыков конструирования и расчета для решения конкретных инженерных задач с использованием норм проектирования, стандартов, справочников, средств автоматизации проектирования.
Учебный материал дисциплины «Металлические конструкции» охватывает шесть разделов.
Впервом разделе излагаются основные расчетные предпосылки проектирования МК: стали и сплавы алюминия для строительных конструкций, работа материалов под нагрузкой, основы расчета конструктивных элементов и соединений, принципы проектирования, объединяющие требования экономичности, снижения трудоемкости и сокращения сроков строительства.
Технология сварки строительных конструкций (раздел 2) изучается параллельно соответствующим разделам курса металлических конструкций в объеме, отвечающем требованиям к выпускникам специальности 1-70 02 01. Более полные сведения по технологии сварки, а также практические навыки производства сварочных работ перенесены на лабораторные занятия.
Втретьем разделе рассматриваются основные типы конструктивных элементов (стальные настилы, балки, колонны), особенности их работы под нагрузкой, компоновка, основы конструирования и расчета.
Вчетвертом разделе рассматриваются конструктивные решения и расчет стропильных ферм, используемых в покрытиях зданий и сооружений.
Пятый раздел посвящен вопросам проектирования стальных каркасов одноэтажных производственных зданий с учетом требований эксплуатации, изготовления и возведения конструкций, а также общих архитектурностроительных требований. Изучение методов компоновки стальных каркасов,
7
их действительной работы, взаимодействия элементов каркаса в единой системе имеет важное значение для формирования инженерного мышления. Здесь рассматриваются также вопросы рационального применения легких металлических конструкций.
Вшестом разделе излагаются основные принципы конструирования и расчета специальных конструктивных форм: большепролетных конструкций в виде балок, рам и арок; пространственных стержневых конструкций; висячих вантовых систем; высотных сооружений (башен, мачт, опор ЛЭП).
Вкаждый раздел дисциплины входит несколько крупных тем, содержание которых может быть подразделено на основные и дополнительные блоки. Взаимосвязь учебного материала основных и дополнительных блоков с видами занятий и учебными часами должно предусматриваться в рабочей программе дисциплины.
Содержание теоретического курса закрепляется и углубляется на лабораторных и практических занятиях, в курсовом проектировании, способствующих развитию навыков конструирования и расчета, умения пользоваться техническими нормативными правовыми актам (ТНПА), справочниками, средствами автоматизации расчета конструкций.
При составлении рабочих учебных программ из списка рекомендуемых тем практических занятий, лабораторных работ, курсовых проектов выбираются необходимые темы и определяется их количество в соответствии с рабочим учебным планом.
Впреподавании дисциплины «Металлические конструкции» должна быть обеспечена преемственность и логическая связь с предшествующими и параллельными дисциплинами («Математика», «Физика», «Теоретическая механика», «Строительное материаловедение», «Сопротивление материалов», «Строительная механика», «Архитектура»).
Врезультате изучения учебной дисциплины «Металлические конструкции» студент должен:
знать:
-особенности поведения металла в конструкциях; -фундаментальные положения теории расчета элементов строительных
металлических конструкций; -принципы проектирования отдельных элементов и зданий (сооружений) в
целом;
уметь:
-конструировать и рассчитывать сварные и болтовые соединения; -выполнять расчеты и конструирование элементов металлических
конструкций с использованием действующих технических нормативных документов;
-выполнять компоновку и проектирование каркасов производственных зданий;
8
-выполнять расчет большепролетных зданий и сооружений: балочных, рамных и арочных, висячих систем;
-конструировать и рассчитывать высотные сооружения в виде башен, мачт и опор ЛЭП;
-самостоятельно изучить и использовать в практике проектирования новые знания в области металлических конструкций;
владеть:
-методами технико-экономического анализа; -средствами автоматизированного расчета металлических конструкций;
-навыками по исследованию напряженно-деформированного состояния металлических конструкций.
Освоение данной учебной дисциплины обеспечивает формирование следующих компетенций:
–АК-1. Уметь применять базовые научно-теоретические знания для решения теоретических и практических задач.
–АК-2. Владеть системным и сравнительным анализом.
–АК-4. Уметь работать самостоятельно.
–АК-7. Иметь навыки, связанные с использованием технических устройств, управлением информацией и работой с компьютером.
–АК-9. Уметь учиться, повышать свою квалификацию в течение всей
жизни.
–СЛК-6. Уметь работать в команде.
–СЛК-7. Самостоятельно приобретать и использовать в практической деятельности новые знания и умения, в том числе в новых областях знаний, непосредственно не связанных со сферой деятельности.
–ПК-1. Применять современные методы возведения объектов, обеспечивающие высокий технико-экономический уровень выполнения строительных процессов.
–ПК-2. Применять современные методы эксплуатации, технического обслуживания и ремонта объектов.
–ПК-6. Организовывать и проводить испытания сооружений.
–ПК-7. Разрабатывать проекты инженерных систем, используя современные методы и технологии проектирования.
–ПК-20. Владеть современными средствами коммуникаций и обработки информации.
Учебная программа рассчитана на 378 часов, из которых 196 часов – аудиторные занятия. Примерное распределение часов аудиторных занятий: 114 часов – лекции, 16 часов – лабораторные занятия и 66 часов – практические занятия.
Отдельные темы программы могут изучаться за счет часов вузовского компонента. Вопросы реконструкции производственных зданий рассматриваются в отдельной дисциплине «Реконструкция зданий и
9
инженерных сооружений», вопросы проектирования листовых конструкций и предварительно напряженных металлических конструкций рассматриваются в дисциплине «Проектирование и расчет специальных сооружений».
Согласно учебному плану для очной формы получения высшего образования на изучение учебной дисциплины отведено всего 378 ч., из них аудиторных – 196 часов.
Распределение аудиторных часов по курсам, семестрам и видам занятий приведено в таблице 1.
|
|
|
|
|
Таблица 1. |
|
Очная форма получения высшего образования |
|
|
||||
Курс |
Семестр |
Лекции, ч. |
Лабораторные |
Практические |
Форма текущей |
|
занятия, ч. |
занятия, ч. |
аттестации |
||||
|
|
|
||||
3 |
6 |
48 |
16 |
- |
зачет |
|
4 |
7 |
34 |
- |
34 |
курсовой проект, |
|
экзамен |
||||||
|
|
|
|
|
||
4 |
8 |
32 |
- |
32 |
курсовой проект, |
|
экзамен |
||||||
|
|
|
|
|
||
СОДЕРЖАНИЕ УЧЕБНОГО МАТЕРИАЛА
Введение
Краткий обзор развития металлических конструкций. Общая характеристика: номенклатура и область применения, основные преимущества и недостатки металлических конструкций. Предпосылки и основные направления технического прогресса, повышение эффективности металлических конструкций.
Раздел 1. ОСНОВЫ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ
Тема 1.1. Материалы металлических конструкций
Строительные стали: общая характеристика, химический состав и особенности структуры, механические свойства, свариваемость, коррозионная стойкость, влияние химического состава на свойства сталей, ТНПА на стали, категории требований, группы прочности. Структура сталей. Виды термической обработки сталей.
Алюминиевые сплавы: химический состав, свойства и способы обработки алюминиевых сплавов; преимущества и недостатки сплавов алюминия и область их применения в строительстве.
Тема 1.2. Работа металла под нагрузкой
Работа сталей и алюминиевых сплавов при однократном статическом растяжении и сжатии: диаграммы и стадии работы материала в зависимости от
10