15. Прогибы и перемещения

15.1 Общие указания

15.1.1 При расчете строительных конструкций по прогибам (выгибам) и перемещениям должно быть выполнено условие

(15.1)

где f — прогиб (выгиб) и перемещение элемента конструкции (или конструкции в целом), определяемые с учетом факторов, влияющих на их значения, в соответствии с приложением Е;

f_u — предельный прогиб (выгиб) и перемещение, устанавливаемые настоящими нормами.

15.2 Предельные прогибы

15.2.3. Предельные прогибы для различных расчетных ситуаций приведены в Е.2.2 приложения Е.

Для элементов конструкций зданий и сооружений, предельные прогибы и перемещения которых не оговорены настоящим и другими нормативными документами, вертикальные и горизонтальные прогибы и перемещения от постоянных, длительных и кратковременных нагрузок не должны превышать 1/150 пролета или 1/75 вылета консоли.

НАГРУЗКИ И ВОЗДЕЙСТВИЯ (выборка из СП 20.13330.2011) прил. Е

СОЕДИНЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ

Для сопряжения элементов сорта­мента друг с другом при создании несущих конструктивных форм в строи­тельных металлических конструкциях применяют различные виды соединений. В зависимости от ряда факторов — напряженного состояния соединяемых элементов, их формы, условий работы, величины и характера действующей на соединение нагрузки — в металличес­ких конструкциях используют следующие виды соединений: сварные, бол­товые, заклепочные и клееметаллические.

Основным видом соединений явля­ется сварное, обеспечивающее высокую прочность, надежность и долговечность соединения; уменьшающее затраты времени на производство работ благо­даря использованию высокопроизводи­тельного полу- и автоматизированного оборудования; обеспечивающее водо- и газонепроницаемость, что способствует их универсальности; дающее экономию металла и снижающее общую стои­мость конструкции.

Основным видом сварных соедине­ний является электродуговая сварка, основанная на явлении возникнове­ния электрической дуги между сталь­ным стержнем (электродом) и свари­ваемыми стальными элементами. Сварка осуществляется при темпе­ратуре около 1500 °С. Наибольший объем применения среди видов сварки находит ручная дуговая сварка (свар­ка штучными электродами), при кото­рой подача электрода и его перемеще­ние вдоль соединения производятся вручную. Для получения высокока­чественного сварного шва на электро­ды наносится специальная обмазка, которая при плавлении электрода об­разует в зоне шва защитную газовую среду.

Для получения высококачественных швов без микропор, трещин и других дефектов применяют ручную, автомати­ческую и полуавтоматическую газо­электрическую сварку для стальных конструкций под флюсом или в среде углекислого газа, а для алюминиевых конструкций в среде аргона (аргоно-дуговая сварка).

Рис. 2.4. Схемы сварки:

а — электродуговой; б — газоэлектрической; /— металлический электрод; 2— специаль­ная обмазка; 3— сварной шов; 4— свариваемые элементы; 5— электрическая дуга; 6— электрододержатель; 7— источник тока; 8— струбцина (зажим); 9— горелка; 10— углекислый газ (при сварке углеродистых сталей) или газ аргон (при сварке алюминиевых сплавов); //— сварочная проволок

Сварка под флюсом осуществляется специальным автоматом с подачей го­лой сварочной проволоки d=2...5 мм, а в среде углекислого газа d= 1,4...2 мм. Отличие автоматической и полуавтома­тической сварки заключается в том, что при полуавтоматической сварке движение сварочного агрегата осу­ществляется вручную. Эффективность применения автоматической и полуав­томатической сварки возрастает в за­водских условиях.

При изготовлении листовых кон­струкций возникает потребность в сварке тонких листов до 3 мм. В этом случае во избежание прожога исполь­зуют контактную точечную и валиковую электросварку, выполняемую на специальном оборудовании или реже газовую сварку, основанную на рас­плавлении электрода в зоне сгорания ацетилена в струе кислорода.

Значения расчетных сопротивлений сварных швов в стальных конструкци­ях, соответствующих маркам стали, приведены в приложении 5, а расчетные сопротивления сварных швов в алюми­ниевых конструкциях, выполняемых аргонодуговой сваркой,— в приложе­нии 6.

Сварное соединение, выполняемое сваркой плавлением, включает в себя: сварной шов, образовавшийся в резуль­тате кристаллизации сварочной ванны; зону сплавления или зону провара, характеризуемую проникновением на­плавленного металла в основной; зону термического влияния, т. е. участок основного металла, не подвергающий­ся расплавлению; основной металл.

Схема расчетных сечений сварного

соединения с угловым швом:

/— сечение по металлу шва; 2— сечение по металлу границы сплавления

Наиболее ответственной зоной является зона сплавления, ха­рактеризуемая оптимальной глубиной провара 1,5...2,0 мм.

В зависимости от взаимного распо­ложения сопрягаемых элементов свар­ные соединения подразделяются на сты­ковые, нахлесточные, комбинированные и впритык.

Наиболее употребимыми в металли­ческих конструкциях являются сварные швы встык и внахлестку. Принципи­альная разница между ними заключа­ется в том, что в стыковых соедине­ниях оба сопрягаемых элемента расположены в одной плоскости или на одной поверхности, а в соединениях внахлест­ку свариваемые элементы перекрывают друг друга.

Для повышения несущей способно­сти стыковых соединений, работающих на растяжение, проектируется косой шов, повернутый к оси, перпендику­лярной оси действия силы под углом не менее 25°.

В соединениях внахлестку разли­чают фланговые и лобовые швы. Не­смотря на то что прочность фланговых и лобовых швов одинаковая, фланговые швы обладают большей пластич­ностью и надежностью, а лобовые име­ют тенденцию к хрупкому разрушению. Длина лобового шва не ограничи­вается в отличие от длины флангового шва. Ограничение длины фланговых швов или недостаточная несущая спо­собность стыковых приводят к необхо­димости применения комбинированных сварных соединений. Они трудоемки в производстве работ, поскольку требуют качественной обработки стыкового шва заподлицо с поверхностью сопрягаемых элементов.

Соединения впритык применяются для сопряжения двух элементов, рас­положенных под прямым углом друг к другу. В этом виде соединений при­меняют угловые швы в тавр и в угол, при этом с точки зрения надежности предпочтение следует отдавать угловым швам в тавр.

В зависимости от положения в про­странстве в процессе их выполнения сварные швы подразделяют на нижние, горизонтальные, вертикальные, потолочные. Наиболее качествен­ные швы — нижние, так как наплав­ленный металл не стекает и обеспечи­вает равнопрочный шов. Наиболее тру­доемкими в производстве работ явля­ются потолочные швы, которых сле­дует избегать.

.

Болтовые соединения работают на сдвиг и на растяжение. В первом слу­чае действующие на соединение силы приложены перпендикулярно оси болта (рис. 2.7, а,. .в), во втором случае сов­падают с осью болта (рис. 2.7, г) .

Основным видом работы болтовых соединений является работа на сдвиг. В результате этой работы за счет за­зоров в соединении происходят незна­чительные сдвиг и обмятие стенок от­верстий соединяемых элементов, после чего все болты включаются в работу соединений.

Заклепочные соединения в совре­менных Стальных конструкциях нахо­дят ограниченное применение, так как этот вид соединений является наиболее трудоемким и дорогостоящим. Однако в отличие от болтовых заклепочные сое­динения менее деформативны и более надежны. Область их применения рас­пространяется на специальные соору­жения с тяжелым режимом работы, например железнодорожные мосты, промышленные этажерки, работающие в условиях воздействия знакоперемен­ных и вибрационных нагрузок.

Условные обозначения сварных швов, болтов и заклепок в соединениях:

а — круглое отверстие; б — овальное отверстие; в — постоянный болт; г — временный болт;

д — высокопрочный болт; е — заклепка

Наибольшее применение заклепоч­ные соединения находят в алюминиевых конструкциях, когда применение вы­сокопрочных алюминиевых сплавов не позволяет применять сварные соеди­нения.

По принципу работы заклепочные соединения приближаются к соедине­ниям на болтах повышенной точности, поэтому их расчет выполняется по ана­логии с болтовыми соединениями.

Болты и заклепки в соединениях размещаются в рядовом или шахмат­ном порядке на минимальном расстоянии друг от друга, которое устанавли­вается исходя из обеспечения прочно­сти на выкол и удобства постановки болтов.

Новым видом соединения металли­ческих конструкций являются клееметаллические соединения. Однако клее­вые соединения, отличающиеся наи­большей экономичностью, имеют ряд существенных недостатков, главными из которых являются возникновение отрывающих усилий при воздействии повышенных температур и низкая не­сущая способность на отрыв. В связи с этим клееметаллические соединения применяют в комбинации со сварными, болтовыми и заклепочными.

Сварные, болтовые и заклепочные соединения имеют на чертежах обще­принятые обозначения.

Железные и железочугунные стро­пильные конструкции использовали при ремонте после пожара Зимнего дворца в 1837 г. (рис. 1.9), для покрытия Александровского дворца в Московс­ком кремле (1838—1847) и в ряде дру­гих «престижных» сооружений, к кото­рым относится новый (после двух де­ревянных) железный шпиль Петропав­ловского собора, спроектированный Д. И. Журавским и установленный в 1858 г. К этому же периоду относится созданная инж. Н. Набоковым ориги­нальная конструкция комбинированно­го перекрытия «керамический свод + +гибкая нить» (рис. 1.10).

За рубежом появились здания с ме­таллическим каркасом: библиотека св. Женевьевы в Париже (арх. А. Лабруст, 1843), собранное за шесть меся­цев «чудо инженерного искусства»— Хрустальный дворец в лондонском Гайд-парке (автор Дж. Пэкстон, 1951) и, наконец, 300-метровая Эйфе-лева башня и «Галерея машин» про­летом 115 м, продемонстрировавшие в 1889 г. новые возможности строитель­ной техники и металлургии. В архитек­туре появилась новая тема -г- металли­ческие промышленные здания.

К концу XIX в. Россия сосредото­чила усилия своей экономики, науки и техники на развитии железнодорожной сети и, в частности, на мостостроении. Грандиозные задачи пересечения Невы, Волги и великих сибирских рек способ­ствовали становлению русской школы мостостроения, основателями которой были инженеры и профессора С. В. Кер-бедз (1810—1891), Н. А. Белелюбский (1848—1922), Л. Д. Проскуряков (1858—1926).

Купол из ковкого железа Ка­занского собора (арх. А. Н. Воронихин, 1801 1811)

Проф. Ф. С. Ясинский (1858—1899) известен не только как исследователь явления продольного изгиба, но и как строитель ряда новых типов больше­пролетных металлических покрытий промышленных зданий. Он же впервые применил треугольные складчатые по­крытия.

Неоценим вклад в развитие метал­лических конструкций почетного акаде­мика В. Г. Шухова (1853—1939). Ему принадлежит приоритет создания совершенно новых конструктивных форм покрытий (рис. 1.11): сетчатых двоякой кривизны (1898), висячих (1896), сводов с веерообразным распо­ложением затяжек в Торговых рядах в Москве (1893). Знаменитые гипер­болические шуховские башни исполь­зовались как маяки, водонапорные башни и даже как боевые башни воен­ных кораблей. Ярким представителем этой группы сооружений является по­строенная в 1920 г. радиобашня высо­той 148 м в Москве на Шаболовке.

В 30-е годы нашего века на смену клепаным приходят сварные соедине­ния. Электродуговая сварка—изобрете­ние русских инженеров. Н. Н. Бенардос1882 г. разработал метод сварки с угольным электродом, в 1890 г. Н. Г. Славянов, заменив угольный электрод стальным, усовершенствовал технику сварки, оставшейся в принципе неиз­менной до настоящего времени, когда сварка стала основным видом соедине­ния металлических конструкций (до 95 % в промышленном строительстве).

Основателем советской школы ме­таллических конструкций считается Н. С. Стрелецкий (1885—1967). Он разработал основные критерии оценки их прочности и надежности, получив­шие выражение в создании, методики расчета по предельным состояниям.

Алюминий, как материал инженер­ных металлических конструкций был впервые применен в 1933 г. при рекон­струкции проезжей части городского моста в Питтсбурге, США. Но уже в 1951 г. в Лондоне было возведено круп­ное сооружение из алюминия — 109-метровый купол выставочного павиль­она. В наши дни алюминиевые купола широко распространены, причем основ­ная конструктивная их форма —• комби­нация стержневой решетки с включен­ным в работу многогранным листовым ограждением — позволила сократить его массу в несколько раз. С 60-х годов в СССР начинается использование алюминия в несущих конструкциях: сварные фермы спортивного зала в Москве (1966), сварной пешеходный мост пролетом 27,6 м в Ленинграде (1968) и др.

Металлические конструкции вошли в архитектуру в середине прошлого столетия, наследуя на первых порах формы каменных и деревянных конструкций, вплоть до выполнения в чу­гунном литье классических ордеров. Те­ма собственно металлической архитек­туры прозвучала впервые в выставоч­ных сооружениях, а к началу века ста­ла основным мотивом промышленной архитектуры.

В настоящее время сталь успешно соперничает с железобетоном в тех областях, где снижение массы играет важную роль (а стальные конструкции легче железобетонных в 5...8 раз). Это — конструкции больших пролетов, где доля собственного веса в суммар­ной нагрузке особенно велика, а также конструкции, доставляемые к месту монтажа на большие расстояния. В по­следнем случае выбор может быть сде­лан в пользу алюминиевых конструк­ций, которые легче стальных примерно в 2 раза.

Тенденции совершенствования ме­таллических конструкций включают применение эффективных профилей проката, новых типов профилирован­ных настилов, пространственных струк­турных покрытий и других конструкций комплектной поставки. Предполага­ется, что широкое применение сталей повышенной и высокой прочности, эко­номичных прокатных и гнутых профи­лей обеспечит экономию металла до 15...20 %, снижение трудоемкости на 20...30 % и приведенных затрат на 15...25%.

Клепаная сквозная арка над эллингом судостроительного завода в Петербурге (1830)

. Перекрытие зала Зимнего дворца (В. П. Стасов, М. Е. Кларк)

Комбинированная система — гибкая нить, поддерживающая керамический армирован­ный свод (Н. Набоков, Петербург, 1841)