513

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»

О.Б. Иванова

МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ

Учебно-методическое пособие по подготовке к лекционным занятиям по дисциплине «Строительные конструкции»для

обучающихся по направлению подготовки 08.03.01 Строительство, профиль Водоснабжение и водоотведение

Нижний Новгород ННГАСУ

2016

УДК 624.014 (075)

Иванова О.Б.Металлические конструкции зданий и сооружений. [Электронный ресурс]: учеб.- метод. пос. / О.Б. Иванова; Нижегор. гос. архитектур. - строит. ун - т – Н. Новгород: ННГАСУ, 2016. – 9 с; ил.1 электрон. опт. диск (CD-RW)

Приведены рекомендации по изучению курса лекций по Строительным (металлическим) конструкциям зданий и сооружений. Приведены основные особенности изучения лекций, изложены основные положения по освоению студентами курса: основные особенности формирования знаний, умений и владений данным предметом; выбор стали и проката; основные положения проектирования и расчетов по первой и второй группам предельных состояний балок, колонн и легких ферм, а также их болтовых и сварных соединений,листовые конструкции.

Предназначено обучающимся в ННГАСУ для подготовки к лекционным занятиям по учебной дисциплине Строительные конструкции (металлические конструкции)по направлению подготовки 08.03.01 Строительство, профиль Водоснабжение и водоотведение.

.

© О.Б. Иванова, 2016 © ННГАСУ, 2016.

3

Введение.

Изучив курс строительных (металлических) конструкций, студент должен обладать следующими навыками:

а) правильно оценивать свойства стали, как строительного материала, правильно назначать его применение в конструкциях;

б) правильно выбирать оптимальное решение стальных конструкций; в) рационально и экономно проектировать стальные конструкции.

Изучению курса металлических конструкций должно предшествовать изучение следующих дисциплин: технология металлов и сварки; сопротивление материалов; строительная механика; архитектура промышленных и гражданских зданий.

Настоящее учебно-методическое пособие предназначено для студентов 4 курса (7- ой семестр) ННГАСУ в помощь при изучении курса лекций, на которые преподавателю в соответствии с действующим учебным планом выделено 16 академических часов, из них на металлические конструкции 8 академических часа..

Исходя из выделенного объема лекционных часов в учебно-методическом пособии изложены основные рекомендации для студентов по освоению курса:

1.Общие сведения о металлических конструкциях.

2.Виды соединений в металлических конструкциях.

3.Особенности конструирования стержневых элементов металлических конструкций, алгоритмы их расчета.

4.Листовые конструкции.

Тема 1. Общие сведения о металлических конструкциях

Приступая к изучению данного курса лекций, студент должен, как будущий бакалавр по направлению Строительство с профилем «Теплогазоснабжение, вентиляция, водоснабжение и водоотведение зданий, сооружений, населенных пунктов», понять, что здания и сооружения предназначены для удовлетворения определенных потребностей общества, что они состоят из множества отдельных элементов и частей, объединенных в единые системы. Поэтому студент, решая практические задачи для отдельных несущих элементов, должен учитывать влияние целого здания (сооружения), так как нагрузки и воздействия, переходя от одного элемента к другому принимают форму усилий взаимодействия: нормальных, поперечных, изгибающих и крутящих.

При освоении данной темы студенту следует овладеть основными понятиями механических характеристик стали: прочность, упругость, пластичность, склонность к хрупкому разрушению по [1, стр. 34-39], а также химический состав по [3], включая свариваемость и коррозионную стойкость, их нормативные и расчетные параметры.

Важным является понимание основных принципов классификации конструкций по сложности эксплуатации и деление на четыре группы [2, стр. 118, Приложение В], а также деление на три климатические зоны по расчетной температуре наиболее холодных суток

[2, табл. В.1].

Следует изучить основные достоинства и недостатки сталей как материалов для строительных конструкций.

Таким образом, основные вопросы, которые студент должен освоить, чтобы правильно выбрать материал для конструкций, следующие:

1)основные технические характеристики стали по механическим свойствам;

2)нормирование полезных компонентов и вредных примесей в строительных ста-

лях;

3)классификация листового и фасонного проката по ГОСТ 27772-88;

4)основные принципы классификации строительных конструкций по группам эксплуатации;

5)расчетные температуры наиболее холодных суток на территории России и их влияние на выбор стали (табл. В.1[2]).

4

В основу расчетов стальных конструкций по предельным состояниям положен принцип обеспечения заданных условий эксплуатации при минимальной стоимости конструкций. Метод расчета по предельным состояниям (МПС) введен в Советском Союзе с 01.01.1955 г. и постоянно совершенствуется.

При изучении данной темы студенту полезно ознакомиться с историей вопроса, так как до 01.01.1955 г. в нашей стране и за рубежом действовал метод допускаемых напряжений (МДН) с 1826 г. [4]. Кроме того, при изучении дисциплины «Сопротивление материалов» еще часто используют терминологию метода допускаемых напряжений.

Так как действующая учебная литература не успевает переиздаваться по сравнению с изменениями нормативны документов, то студенту следует учесть, что в [7] введены новые требования по расчетным сочетаниям нагрузок ([7], р.6, стр. 4-5).

Таким образом, основные вопросы, которые студент должен освоить по основным

положениям расчета стальных строительных конструкций по предельным состояниям,

следующие:

1)история развития расчетов стальных конструкций [см. 4];

2)классификация всех нагрузок по видам [7]: собственный вес (постоянные нагрузки), технологические, атмосферные, монтажные, аварийные;

3)классификация воздействий на здания и сооружения: температурные, сейсмические, взрывные;

4)классификация нагрузок и воздействий по скорости приложения: статические и динамические [5, 6, 7];

5)по продолжительности действия нагрузок и воздействий на конструкции: постоянные, временные длительные, временные кратковременные, временные особые [7,

р.5];

6)по численному значению нагрузок в расчетах по первому и второму предельным состояниям [7, р. 8-11];

7)по сочетаниям нагрузок и воздействий: основные и особые [7, р.5];

8)разделение расчетов по первой и второй группам предельных состояний для конкретных НДС конструкций: растяжение (сжатие) центральное, растяжение (сжатие) внецентренное, изгиб, - в первой группе предельных состоянийпрогибы; углы поворотов, осадки, колебания – во второй группе предельных состояний [2; 5; 6; 8];

9)ознакомиться и различать основанные термины предельных состояний: несущая способность, нормальная эксплуатация, долговечность, ситуации (установившаяся, переходная, аварийная); надежность, особое предельное состояние [5, 6].

Тема 2. Виды соединений в металлических конструкциях

Приступая к освоению данной темы в части сварных соединений, в дополнение к лекциям студенту рекомендуется ознакомиться с историей применения и развития сварки в строительных стальных конструкциях [1, стр. 128-129]; изучить классификацию современной электродуговой сварки: ручной, механизированной, автоматической, электрошла-

ковой, газовой [1, стр. 129-133]; классификацию сварных соединений (стыковые и угло-

вые) по разным признакам:

1)конструктивному – разделка кромок в стыковых швах; деление на лобо-

вые и фланговые швы и выполнение соотношений катетов в соединениях на угловых

швах;

2)по положению в пространстве соединений элементов – палубные (ниж-

ние); горизонтальные и вертикальные на вертикальных поверхностях; потолочные;

3)по назначению – расчетные и конструктивные;

4)по протяженности – непрерывные и прерывистые;

5)по характеру работы – прочные, плотные, прочно-плотные;

6)по месту выполнения – заводские и монтажные;

5

7) по числу проходок – однопроходные (однослойные), многопроходные (многослойные).

Важно понимать работу и расчет стыковых и угловых швов при разных НДС соединяемых элементов; значение в расчетах выводных планок; особенности применения сварочных материалов для разных сталей и разных защитных сред: под флюсом, в углекислом газе, порошковой проволокой, покрытыми электродами [2, Приложение Г].

Важно уяснить, почему при неравномерном распределении сварочных напряжений по длине, ширине и толщине сварных швов, их расчет по нормам допускают по средним

значениям.

Таким образом, основные вопросы, которые студент должен освоить по теме, сле-

дующие:

1)история применения и развития сварки и сварных соединений в стальных строительных конструкциях;

2)классификация электродуговой сварки;

3)классификация стыковых сварных соединений;

4)основы расчета и проектирования стыковых сварных соединений при разных НДС соединяемых элементов стальных конструкций [1, стр. 137-154];

5)классификация сварных соединений на угловых швах; в чем различие зон по металлу шва и по металлу границы сплавления;

6)основы расчета и проектирования сварных соединений на угловых швах при разных НДС соединяемых элементов стальных конструкций [1, стр. 137-154];

7)современные нормативные допуски на применение комбинированных болтовых и сварных соединений.

Приступая к освоению данной темы в части болтовых соединений студенту, помимо информации, получаемой на лекциях, полезно по литературе [1, стр. 127-129] ознакомиться с историей применения и развития болтовых соединений. Современные требования к болтам и болтовым соединениям изложены в [2, р.5; 6; 14.2; 14.3; 14.4; 15.9; 15.11].

При изучении данной темы студент должен усвоить, что применение болтов разных классов зависит от НДС соединений и климатических условий эксплуатации (расчетные температуры наиболее холодных суток).

Размещение болтов в соединениях зависит от их нагруженности (расчетные соединения от расчетных сочетаний нагрузок – на минимальных расстояниях между болтами; конструктивные соединения – на максимальных расстояниях). С этими требованиями можно ознакомиться в [2, табл. 40].

Изучив основы работы и расчета болтовых соединений, студент должен четко разделять работу и расчет сдвиговых соединений при разных НДС элементов и фрикционных соединений так же при разных НДС элементов. При этом ослабленные элементыотверстиями под болты следует проверять на прочность.

Важное значение при освоении болтовых соединений имеют знания технологиче-

ских требований к болтовым соединениям.

Таким образом, основные вопросы, которые студент должен освоить по теме работы и расчетов болтовых соединений элементов стальных конструкций, следующие:

1)история применения и развития болтовых соединений;

2)основные требования к современным болтам и болтовым соединениям;

3)основы работы болтовых соединений на сдвиг при статических нагрузках;

4)основы размещения болтов в расчетных и конструктивных соединениях (рядовое, шахматное; в один ряд, в два ряда); технологические требования к размещению болтов.

6

Тема 3. Особенности конструирования стержневых элементов металлических конструкций, алгоритмы их расчета

3,а. Основы проектирования и расчета балок из прокатных двутавров

При изучении данного раздела темы в лекциях преподаватель акцентирует внимание студента на том, что в основе расчета и проектирования балок (в том числе и прокатных) лежат знания по таким учебным дисциплинам, как сопротивление материалов и строительная механика. Тем не менее, есть особенности, связанные с экономическими характеристиками проката. Одной из таких характеристик является ядровое расстояние – отношение момента сопротивления сечения к его площади. Эта характеристика является мерой выгодности по расходу стали изгибаемого проката по разным ГОСТ.

Далее преподаватель обращает внимание студентов на то, что в прокатном двутавре расчетное сопротивление стали принимается по его величине в поясах, но не в стенке. Это идет в расчетах несколько в запас надежности, но существенно упрощает расчет. Балочный прокатный профиль наиболее распространен в стальных конструкциях перекрытий и покрытий, где он работает совместно с настилом: плоским или профилированным. Поэтому студенту важно знать и уметь проектировать настил в балочных перекрытиях и покрытиях. В стальных конструкциях перекрытий и покрытий применяют, в основном, относительно тонкий настил, в котором одновременно проявляются и цепные, и изгибные напряжения. Поэтому в практических расчетах настила пользуются приближенными методиками по формулам или по графикам, исходя из предельно допускаемого прогиба. Эти вопросы студент, кроме лекций, осваивает в практических задачах.

Для лучшего понимания и усвоения методики расчета прокатных балок по первому и второму предельным состояниям с учетом деления их на классы студенту в лекциях дается полный алгоритм такого расчета от компоновки монтажной схемы перекрытия (покрытия) и выбора расчетной схемы разрезной балки до всех проверок принятого итерационным путем сечения прокатной балки с разделением на классы для учета или не учета развития пластических деформаций при изгибе как в плоскости наибольшей жесткости, так и при изгибе в двух главных плоскостях.

Отдельным вопросом студенты знакомятся в лекциях с основами проверок прокатных балок на общую устойчивость. Методика проверки изложена для балок первого класса, а для балок второго и третьего классов учтены особенности для зон пластичности.

Все эти вопросы студент должен закрепить в своих умениях в процессе выполнения практических задач в курсовом проектировании.

Таким образом, основные вопросы, которые предлагаются студенту в лекциях для усвоения основ проектирования и расчета балок из прокатных профилей, следующие:

1)общие сведения о балках и балочных системах перекрытий и покрытий;

2)классификация балочных систем;

3)основы компоновки и расчета настилов балочных клеток (рабочих площадок);

4)основы компоновки и расчета балок сплошного сечения из прокатных профилей;

5)основы проверок прокатных двутавровых балок на общую устойчивость;

6)основы проверок прокатных двутавровых балок на прогиб (второе предельное состояние).

3,б. Основы проектирования и расчета центрально сжатых колонн

В данной теме лектор в процессе изложения содержания подробно знакомит сту-

дентов со следующими вопросами:

-общие положения об особенностях работы центрально сжатых стальных колонн, их структуры (оголовок, стержень, база), основах компоновки стержня сплошной колонны;

-основы подбора поперечного сечения стержня сплошной колонны методом последовательных приближений при уточнении гибкостей и коэффициента продольного изгиба при заданной расчетной длине;

7

-проверка устойчивости стержня после окончательного подбора сечения;

-проверка местной устойчивости стенки и поясов;

-основы компоновки стержня сквозного сечения центрально сжатой колонны;

-методика подбора поперечного сечения сквозного стержня относительно материальной и свободной осей, относительно двух свободных осей;

-особенности определения приведенной гибкости сквозного стержня на планках и раскосной решетке;

-основы компоновки и расчета планок и раскосной решетки в центрально сжатых

колоннах сквозного сечения.

Таким образом, основные вопросы, которые предлагаются студенту в лекциях и

при самостоятельной проработке при изучении основ проектирования и расчета центрально сжатых колонн следующие:

1)основы компоновки центрально сжатых колонн сплошного сечения;

2)основы компоновки центрально сжатых колонн сквозного сечения;

3)расчетные длины центрально сжатых колонн в зависимости от условий их закрепления;

4)основы методики расчета стержня колонны сплошного сечения;

5)основы методики расчета стержня сквозной колонны;

6)особенности определения коэффициента продольного изгиба в сплошных и сквозных колоннах;

7)основы проектирования и расчета планок и раскосной решетки в сквозных колоннах.

3,в. Основы проектирования и расчета легких стальных ферм

В данной теме лектор в процессе изложения содержания лекций подробно знако-

мит студентов со следующими вопросами:

-определение, классификация и область применения легких ферм;

-генеральные размеры легких ферм (пролет, высота, размеры панелей верхнего и нижнего поясов);

-особенности геометрических схем легких ферм: по статической схеме, по очертанию поясов; по системе решетки;

-алгоритм подбора сечений элементов легких ферм покрытий зданий.

Таким образом, основные вопросы, которые предлагаются студенту в лекциях и

при самостоятельной проработке при изучении основ проектирования и расчета легких стальных ферм, следующие:

1)классификация легких ферм, какие фермы считаются легкими;

2)области применения легких ферм;

3)геометрические схемы легких ферм по очертанию поясов, систем решетки, статической определимости;

4)методика расчета легких ферм по первому и второму предельному состоя-

нию.

Тема 4. Листовые конструкции

В данной теме лектор в процессе изложения содержания лекций подробно знако-

мит студентов со следующими вопросами:

-номенклатура, область применения и особенности листовых конструкций;

-резервуары: основные определения, классификация и особенности;

-водонапорные башни: основные определения, классификация и особенности.

8

Рекомендации студентам для самостоятельной работы, как дополнение к лек-

циям

1)тема 1:[1, стр. 3-5; 6-8]; [5, р.9];

2)тема 2:[1, гл. 2, стр. 31-61]; [3]; [2, р.5-6, Приложение В, табл. В.1-В.9];

3)тема 3:[1, гл. 3, стр. 83-126]; [8, гл. 2, стр. 59-161]; [5, р.4-5]; [7, р. 5-11];

4)тема 4:[3, гл. 1, стр. 5-13; гл. 2, стр. 14-47; гл. 11, стр. 215-223].

Рекомендуемая литература

1.Металлические конструкции. В 3 т. Т. 1. Элементы стальных конструкций: учеб. для строит. вузов / под ред. В. В. Горева. – Москва : Высш. шк., 1997. – 527 с. : ил.

2.СП 16.13330 – 2011. Стальные конструкции : актуализир. ред. СНиП II-23-81* : утв. 27.12.10 : введ. в д. 20.05.2011 / Минрегион России. – Изд. офиц., актуализир. ред. – Москва : ЦПП, 2011. – 172 с. : ил.

3.ГОСТ 27772-88. Прокат для стальных конструкций. – Введ. 01.01.89. – Москва :

Стандартинформ, 2006. – 15 с.

4.Расчет строительных конструкций по предельным состояниям / под ред. В. М. Келдыша. – Москва : Госстройиздат, 1951. – 271 с.

5.ГОСТ Р 54257-2010. (ГОСТ 27751.2014). Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения и требования. – Введен 01.09.2011. – Москва : Стандартинформ, 2011. – 12 с.

6.ГОСТ 27751-88. Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения по расчету. – Москва : ФГУП ЦПП, 1988. – 12 с.

7.СП 20.13330.2011. Нагрузки и воздействия : актуализир. ред. СНиП 2.01.07–85* / Минрегион России. – Изд. офиц., актуализир. ред. – Москва : ЦПП, 2011. – 78 с.

8.Металлические конструкции : учеб. для студентов высш. учеб. заведений / Ю.И. Кудишин [и др.]. – Москва : Академия, 2007. – 688 с.

9.Металлические конструкции. В 3 т. Т. 3. Элементы стальных конструкций: учеб. для строит. вузов / под ред. В. В. Горева. – Москва : Высш. шк., 1999. – 544 с. : ил

9

Иванова Ольга Борисовна

МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ

Учебно-методическое пособие по подготовке к лекционным занятиям по дисциплине «Строительные конструкции»для

обучающихся по направлению подготовки 08.03.01 Строительство, профиль Водоснабжение и водоотведение

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»

603950, Нижний Новгород, ул. Ильинская, 65. http://www. nngasu.ru, srec@nngasu.ru