История развития металлических конструкций.

История развития металлических конструкций.

Краткий исторический обзор развития металлических конструкций.

Понятие "металлические конструкции" объединяет в себе их конструктивную форму, способы изготовления и монтажа.

История развития металлических конструкций может быть разделена на пять этапов:

1. Начало 12 - начало 17 веков. Этот период характеризуется применением металла в виде затяжек и скреп для каменной кладки во дворцах, церквях.

2. Весь 17-ый век связан с применением наклонных металлических стропил и пространственных купольных конструкций глав церквей (перекрытие Большого Кремлевского дворца в Москве, каркас купола Казанского собора в Санкт-Петербурге).

3. Начало 18 - середина 19 веков. Этот период связан с освоением процесса литья чугунных стержней и деталей. В этот период строятся мосты, конструкции перекрытий гражданских и промышленных зданий. Первые (чугунные) мосты были построены в Петербурге.

4. С 30-х годов 19 века до 20-х годов 20 века. Этот период связан с быстрым техническим прогрессом во всех областях техники того времени, в частности в металлургии и металлообработке. Выплавка железа из чугуна в мартеновских и конвекторных печах, получение профильного металла и прокатного листа, появление заклёпочных соединений и применение рамочно-арочных конструкций.

5.               Послереволюционный период. Начало первой пятилетки – конец 20-х годов, осуществление широкой программы индустриализации страны. Выросла производственная база и номенклатура металлических конструкций, расширилось разнообразие их конструктивных форм.

Номенклатура и область применения металлических конструкций

Металлические конструкции применяются во всех видах зданий и инженерных сооружений, особенно если нужны значительные пролеты, высота и нагрузки. В зависимости от конструктивной формы и назначения металлические конструкции можно разделить на восемь видов:

1. Промышленные здания – цельнометаллические или со смешанным каркасом (колонны железобетонные). Цельнометаллические в основном применяются в зданиях с большими пролетами, высотой и кранами большой грузоподъемности.

2. Большепролетные покрытия зданий – спортивные сооружения, рынки, выставочные павильоны, театры и др. (пролеты до 100-150 м).

3. Мосты, эстакады – мосты на железнодорожных и автомобильных магистралях.

4. Листовые конструкции – резервуары, газгольдеры, бункеры, трубопроводы большого диаметра и др.

5. Башни и мачты – для радио и телевидения, в геодезической службе, опоры линии электропередачи, нефтяные вышки и др.

6. Каркасы многоэтажных зданий. Применяются в гражданском строительстве, в условиях плотной застройки больших городов.

7. Крановые и другие подвижные конструкции – мостовые, башенные, козловые краны, конструкции экскаваторов и др.

8. Прочие конструкции по использованию атомной энергии в мирных целях, разнообразные конструкции радиотелескопов, платформы для разведки и добычи нефти и газа в море и др.

Типизация и унификация МК

Типизация в СССР получила весьма широкое развитие. Разработаны типовые решения часто повторяющихся конструкций (колоны, фермы, балки, опоры ЛЭП, и др.)

Все эти типовые решения разработаны на основе применения оптимальных сочетаний параметров и оптимальной технологии изготовления и возможности перевозки.

УНИФИКАЦИЯ – ограничение числа элементов конструкций на основе единой системы.

Типизация и проводимая на ее основе унификация и стандартизация обеспечивают большую повторяемость , серийность изготавливаемых конструкций, рост производительности труда, сокращение сроков изготовления, повышение качества.

Типизация уменьшает сроки монтажа т.к. использует одинаковое оборудование и процесс монтажа.

 

Класса сооружения

I - =1 – резервуары, дымовые трубы высотой более 200м,общественные здания;

II - =0,95 – промышленные здания;

II - =0,9 – здания и сооружения, имеющие ограниченное хозяйственное значение (склады, одноэтажные жилые дома).

 - коэффициент сочетания

Где  - усилие при

               

 - нормативное сопротивление по пределу текучести;

 - временное сопротивление разрыва;

 - коэффициент надежности по материалу, учитывающий выборочный характер контроля и возможность попадания в конструкции металла с пониженными характеристиками.

 - коэффициент условия работы.

……………

 17. Классификация нагрузок и воздействий

В зависимости от продолжительности действия нагрузок следует различать постоянные и временные (длительные, кратковременные, особые) нагрузки.

К постоянным нагрузкам следует относить:

- собственный вес частей конструкций и сооружений;

- вес и давление грунтов (насыпей, засыпок), горное давление;

- сохраняющиеся в конструкции или основании усилия от предварительного напряжения.

Временные нагрузки

К длительным нагрузкам следует относить:

-вес временных перегородок, подливок и подбетонок под оборудование;

-вес стационарного оборудования;

-давление газов, жидкостей и сыпучих тел, избыточное давление и разрежение воздуха;

-нагрузки на перекрытия складируемых материалов;

-температурные технологические воздействия от технологического оборудования;

-вес отложения производственной пыли;

-нагрузки от людей, животных, оборудования на перекрытия и т.д.

К кратковременным нагрузкам следует относить:

-нагрузки от оборудования, возникающие в переходном и испытательном режимах;

-вес людей, ремонтных материалов в зонах обслуживания и ремонта оборудования;

-нагрузки от подвижного подъемно-транспортного оборудования;

-снеговые нагрузки;

-ветровые нагрузки;

-гололедные нагрузки.

К особым нагрузкам относятся:

-сейсмические воздействия;

-взрывные воздействия;

-нагрузки, вызываемые временной неисправностью или поломкой оборудования;

-воздействия, обусловленные деформациями основания, сопровождающиеся коренным изменением структуры грунта или оседанием его в районе горных выработок.

18. Нормативные и расчетные нагрузки. Сочетания нагрузок

Нормативные значения являются основными характеристиками нагрузок, эти нагрузки соответствуют нормам условий эксплуатации, они принимаются на основе статистических данных либо по номинальному значению.

Нормативные значения нагрузки умноженные на соответствующий коэффициент называются расчетными 

Расчет по 1 гр ПС – производится на расчетные нагрузки, по 2-ой гр ПС – по нормативным.

При одновременном действии нескольких временных нагрузок расчет выполняется с учетом наиболее неблагоприятных их сочетаний .

Вероятность совместного действия нескольких нагрузок учитывают умножением временных и особых нагрузок на коэффициент сочетаний ψ_с

Одновременное появление максимальных значений нескольких нагрузок менее вероятно чем появление наибольшего значения одной из них. Поэтому чем больше значений вмещает данное сочетание тем меньше вероятность появления максимального значения в этом сочетании.

Учитываются следующие сочетания нагрузок:

1) основные = постоянная + временная длительная + кратковременная

Если в сочетании одна временная нагрузка то она умножается на ψ_с=1

Если основное сочетание состоит из 2 или более временных нагрузок то ψ_с=0,9

2) особые сочетания = постоянная +временная длительная +кратковременная + 1 особая. ( для кратковременной ψ_с=0,8 кроме сисмической)

 

19. Нормативные и расчетные сопротивления стали. Коэффициент условий работы и надежности по назначению.

Нормативные сопротивления явл. основными характеристиками сопротивления материалов силовым воздействиям и устанавливаются СНиП II-23-81*

R_yn- нормативное сопротивление стали растяжению-сжатию и изгибу по пределу текучести для проката минимальной толщины =σ_т

R_un – нормативное сопротивление раст-сж изгибу по временному сопротивлению =σ_вр

Значение нормативных сопротивлений устанавливают с обеспеченностью 95%

Расчетное сопротивление R_yn= R_yn / γ_m γ_m – коэф надежности по материалу (1,025-1,15)

Коэффициент условий работы ( g _c ) –учитывает возможное отклонение от нормальных условий эксплуатации. (условия эксплуатации отличаются от условий испытаний) устанавливают на основе экспериментальных и теоретических данных о действительной работе материала.

Коэффициент надежности по назначению γ _nучитывает ответственность сооружения и влияние на требуемый уровень надежности.

В зависимости от класса ответственности зданий и сооружений:

I - =1 – резервуары, дымовые трубы высотой более 200м,общественные здания;

II - =0,95 – промышленные здания;

II - =0,9 – здания и сооружения, имеющие ограниченное хозяйственное значение (склады, одноэтажные жилые дома).

Его значения в принципе должны устанавливать специалисты в области надежности строительных конструкций из решения оптимизационной задачи.

20. Условие пластичности. Совместное действие нормальных и касательных напряжений.

Условие пластичности.

Установлено, что при σ_т/σ_вр=<0,75 после упругой работы и небольшого переходного участка наступает пластическое течение, что на диаграмме отмечается протяжённой площадкой текучести. В целях упрощения расчётных предпосылок при работе конструкции в упруго – пластической стадии диаграмма работы стали уподоблена работе идеального упругого тела, которое совершенно упруго до предела текучести и совершенно пластично после него (диаграмма Прандтля – идеализированная работа пластичной стали).

При одноосном напряжённом состоянии (простое растяжение или сжатие) переход в пластическую стадию происходит при достижении нормальным напряжением предела текучести.

При многоосном напряжённом состоянии переход в пластическую стадию зависит от функции напряжений, хара-щих условие пластичности.

На основе четвертой теории прочности, одноосное приведённое напряжение, эквивалентное по переходу материала в пластическое состояние, данному сложному напряжённому состоянию, определяется в главных напряжениях, а также может быть выражено в нормальных и касательных напряжениях.

Отсюда при изгибе (вдали от точек приложения нагрузки), когда s_x¹0;t_xy¹0

Условие пластичности -

При простом сдвиге s_x=0:

По третьей теории прочности t_xy»0,5s_т, где s_т – предел текучести.

 

Опираниебалок

Сопряжения балок со стальными колоннами (опирание):

-опирание сверху;

-примыкание сбоку к колонне.

Такое соединение может быть: шарнирным (передает только опорную реакцию), жестким (еще и момент защемления).

 

49. Конструированние и расчет сопряжения балок

Бывают:

-этажные

-с пониженным расположением верхних поясов второстепенных балок.

В этих сопряжениях опорная реакция со стенки примыкающей вспомогательной балки передается через болты или монтажную сварку на спец. ребро, укрепляющее стенку главной балки. В кач-ве работающих применяют болты нормальной точности, а при больших опорных реакциях вспом. балок – высокопрочные болты.

Расчет сопряжения балок заключается в определении сварных швов или числа болтов, работающих на срез и прикрепляющих балки друг к другу. Расч. силой является опорная реакция вспомогательной балки, увеличенная на 20%, вследствие внецентренности передачи усилия на стенку главной балки.

 

Стыки балок:-заводские

                 -монтажные

В монтажных стыках удобно все элементы соединять в одном сечении, такой стык универсальный.

52. Сварные стыки прокатных балок.

а) Встык:

б) Встык с накладками

- площадь сечения накладки

в) Только с накладками. ; мм;

 

54..Центрально сжатые колонны и стойки. Область применения, классификация колонн.

Подбор сечения и классификация сплошных колонн.

Общая характеристика колонн.

Область применения: в качестве поддерживающих элементов балочных площадок, междуэтажных перекрытий, эстакад, путепроводов, трубопроводов и т.д.

Колонны передают нагрузку от вышележащих конструкций на нижележащие или фундамент.

Колонна состоит из 3-х частей:

 

- оголовок;

- стойка;

- база;

Оголовок – служит для опирания вышележащей конструкции, нагружающей колонну;

Стержень (стойка) – основной конструктивный элемент колонны передающий нагрузку от оголовка к базе;

База (башмак) – воспринимает и передает нагрузку от стержня на фундамент;

Вышележащие конструкции могут свободно опираться на оголовок или присоединяться сбоку.

В большинстве случаев базу колонны соединяют с фундаментом жестко, реже шарнирно.

Жесткое крепление уменьшает расчетную длину колонны и упрощает монтаж.

Материал для колонн.

В прошлом широкое применение находил чугун, как материал хорошо работающий на сжатие.

С целью снижения массы (материалоемкости) в настоящее время широко применяют стали и алюминиевые сплавы. Алюминиевые сплавы имеют значительную стоимость, поэтому используются при необходимости в сооружениях, когда возникают вопросы с транспортабельностью.

Стальные колонны выполняются: сплошными и сквозными.

По статической схеме: одноярусные и многоярусные.

Сплошные колонны.

Сечение сплошной колонны проектируется в виде:

- широкополочного двутавра;

- прокатного;

- составного сечения (сварного, на болтах, на заклепках)

 

Различные типы сечений:

 

Прокатный обычный или широкополочный.

 

Составного сечения: сварные двутавры составного сечения из 3-х листов.

 

Из уголков на сварке.

 

Из отдельных листов на сварке

 

Из отдельных листов на болтах или заклепках (листы скрепляют с помощью уголков).

 

В комбинации с различными профилями и сечениями (из листов и уголков).

 

Для того, чтобы колонна была равноустойчивой необходимо стремиться, чтобы гибкости в плоскостях Х-Х и У-У равнялись, т.е. lх = lу.

Однако в двутавровых сечениях это условие не выполняется и принимается соотношение: i_x = 0.43h (радиус инерции); i_у = 0.24b.

Т.о. чтобы получить равноустойчивое сечение необходимо условие: 0.43h = 0.24b, т.е. b = 2h.

что приводит к весьма глубоким и неудобным в конструктивном отношении сечениям.

Наиболее эффективным в сравнении с обычными двутаврами будут сварные составные сечения или широкополочные двутавры у которых b»h.

Крестовое сечение обладает большей жесткостью, чем двутавры. Весьма рациональны колонны трубчатого сечения.

Колонны замкнутого сечения равноустойчивы, компактны, имеют хороший внешний вид, а недостатком является недоступность к внутренней плоскости для окраски, и трудности прикрепления примыкающих конструкций.

55.Подбор сечения и классификация сплошных колонн.

Сечение колонны компонуется исходя из следующих соображений:

1). Из конструктивных соображений:

b_f<h;

2). Из условия общей устойчивости:

3). Из условия обеспечения местной устойчивости сжатого пояса:

;

4). Из условия свариваемости элементов сечения:

.

 

56.Подбор сечения и конструктивное оформление стержней сквозных колонн.

Сквозные колонны.

Стержень сквозной центрально-сжатой колонны обычно состоит из 2-х ветвей (швеллеров, уголков, двутавров), связанных между собой решетками или планками.

 

Ось пересекающая ветви колонны называется материальной (х).

Ось параллельная ветвям колонны называется свободной (у).

Расстояние между ветвями (b) назначается из условий равноустойчивости: lх = lу.

Для клепанных или болтовых соединений удобно полки ставить наружу, а для сварных во внутрь (с точки зрения монтажа).

Требуемая площадь сечения:

Фактическая площадь сечения: А = 2∙A*, где A* - площадь из сортамента.

Фактическое напряжение:

 

57.Работа и расчет решетки сквозных колонн.

Сквозные колонны рекомендуется выполнять в виде 2-х ветвей из швеллеров или двутавров, соединенных планками или решеткой.

Расчет колонн сквозного сечения относительно материальной оси (х – х) ведется аналогично сплошностенным колоннам по формуле:

Расчет относительно свободной оси (у – у) выполняется также по формуле согласно СНиП:  с заменой гибкости l на приведенную гибкость l_ef при нахождении коэффициента продольного изгиба j.

Приведенная гибкость l_ef определяется в зависимости от жесткости:

при      

при      

где I_s – момент инерции сечения одной планки относительно собственной оси х – х (см.рис.).

I_b – момент инерции сечения ветви относительно оси 1 – 1;

l₁ – гибкость ветви при изгибе ее в плоскости перпендикулярной оси 1 – 1 и принимаемая не более 40;

l_ов – расстояние в свету между планками;

 - соотношение погонных жесткостей ветви и планки;

l – расстояние между центрами планок;

 

Расчет планок сквозной колонны.

Расстояние между планками определяется принятой гибкостью ветви и ее радиусом инерции.

l_ов = l₁i₁

l = l_ов + b_пл

В сварных колоннах за расчетную длину принимается расстояние между планками в свету (l_ов).

Расчет планок согласно СНиП должен выполняться на условную поперечную силу (Q_fic):

где b - коэффициент принимаемый равным меньшему из значений:

j_min/j или s/jR_y, здесь

j - коэффициент продольного изгиба в плоскости планок относительно оси у – у;

j_min – меньший из коэффициентов j_х или j_у;

s = N/A – напряжение сжатия в элементе;

 

Условная поперечная сила распределяется поровну между планками, лежащими в плоскостях перпендикулярных свободной оси (у – у).

Расчет планок и их прикрепление должно выполняться как расчет элементов безраскосных ферм на:

силу среза планки F_пл, определяется по формуле:

F_пл = Q_sl/b

момент М_пл, изгибающий планку в ее плоскости и определяемый по формуле:

М_пл = Q_sl/2,

где Q_s = Q_fic/2 – условная поперечная сила приходящаяся на планку одной грани.

Ширину планки обычно определяют из условия прикрепления:

b_пл = (0,5 – 0,75)b,

где b – ширина сечения (расстояние между ветвями);

 

Толщина планки берется конструктивно от 6 до 10мм в пределах:     t_пл = (1/10 – 1/25)b_пл.

Планки привариваются к полкам угловыми швами.

Проверка прочности швов проводится по совместному действию сдвигающей силы F_пл и изгибающего момента М_пл.

Если соблюдается условие:

Если условие не соблюдается, то вместо R_wf подставляется R_wz.

59,Конструирование, особенности работы и расчета стыков и оголовков колонн.

Расчет и конструирование оголовка и базы

центрально-сжатой колонны.

При свободном сопряжении балки, оголовок колонны состоит из плиты (20-25мм) и ребер, поддерживающих плиту и передающих нагрузку на стержень колонны.

Ребра оголовка привариваются к опорной плите (шов Б), к стенке (шов А) для колонн сплошного сечения и к ветвям для сквозного сечения, при этом выбирается способ сварки и материал.

Назначают ширину ребер при условии необходимой длины участка смятия (т.е. b_р = b_ор + 2t_пл, где b_р – ширина ребра; b_ор – ширина опорного ребра; 2t_пл – две толщины плиты).

Толщину ребер находят из условия смятия:

t_p³N/b_pR_p,

R_p – расчетное усилие смятию;

Длину ребра находят из условия среза швов А, тогда:

,

l_w - расчетная длина шва;

Полная длина ребра определяется:

l_p = l_w + 10мм £ 85b_fk_f (но не менее 40мм);

Шов Б принимают таким же как шов А.

Проверка стенки на срез вдоль ребра выполняется по ф-ле:

, если t>R_s, то делается вставка:

l_вст = l_p + 140мм;

Шов В не рассчитывается, т.к. торец колонны фрезеруется и катет k_f принимается конструктивно согласно СНиП.

 

58.Типы, расчет и конструктивное оформление баз колонн.

База колонны.

Типы сопряжения колонн с фундаментом и конструкция базы должны отвечать принятому в расчетной схеме способу закрепления колонны в основании.

Базы разделяются на 2 типа:

- шарнирные;

- бесшарнирные;

 

- сварная база с треугольными ребрами:

толщина траверсы принимается конструктивно 10-14мм.

После того как выбран тип базы, производят расчет плиты по ф-ле:

,

где N – нагрузка на колонну (в том числе ее собственный вес);

R_b,loc – расчетное сопротивление сжатию бетона при жестком смятии;

,

где R_b – расчетное сопротивление сжатию бетона (призменная прочность) определяется по СНиП;

А_f – площадь фундамента;

g_b,9 – коэффициент условия работы бетона;

α = 1 – для бетона класса ниже B25;

Определяем толщину плиты, которая работает на изгиб от равномерно распределенной нагрузки (реактивного давления фундамента).

q = s_b = N/A_pl;

В зависимости от конструкции базы и рассматривая различные участки плиты, определяется наиболее невыгодное условие изгиба.

1 участок: М₁ – изгибающий момент для 1-го участка, определяется по формуле:

 - ф-лы Галеркина,

где α₁ и α₂ – коэффициенты зависящие от отношения более длинной стороны (b) к более короткой стороне (а).

Тогда, используя таблицы, определяют коэффициенты α₁ и α₂.

b/a	1	1.1	…	2	>2
α1	0.048	0.055	…	0.1	0.125
α2	0.048	0.049	…	0.046	0.037

 

При отношении сторон b/a>2 плита рассчитывается, как однопролетная балочная конструкция и изгибающий момент определяется по ф-ле: М = s_b*c²/2;

3 участок (консольный):

На нем выделяется полоса шириной 1см и изгибающий момент определяется по ф-ле: М = s_b*c²/2;    

При опирании плиты на 3 канта (2-ой участок) изгибающий момент определяется по ф-ле:

М = βs_b*a²;

Соотношение b₁/a определяется по таблице:

b1/a	0,5	0,6	…	2	>2
β	0.068	0.074	…	0.132	0.133

 

По наибольшему из найденных для различных участков плиты изгибающих моментов определяется толщина плиты по ф-ле:

Вывод ф-лы: выделяя полосу единичной ширины, имеем (при изгибе)

М_max/W_x£R_y

Обычно толщина плиты находится в пределах 20-40мм.

 

Высота траверсы:

Не должна быть больше

h_тр£ β_fk_f,

 

Высоту траверсы определяют из условия полной передачи усилия N на угловые сварные швы. Тогда:

,

где k_f – катет шва (по СНиП);

R_wf =142МПа – для электродов Э-42;

Толщина траверсы назначается конструктивно от 10 до 16мм.

При шарнирном сопряжении принимается d анкерных болтов 20-30мм, т.е. отверстие шайбы на 2-3мм больше d анкерного болта.

 

е

История развития металлических конструкций.

12345678910Следующая ⇒

Поделиться: