1073

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

«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»

Е.А. Кочетова, Д.А. Морозов

МК ВЫСОТНЫХ И БОЛЬШЕПРОЛЕТНЫХ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ

Учебно-методическое пособие по подготовке к практическим занятиям по

дисциплине «МК высотных и большепролетных зданий и сооружений» для обучающихся по специальности 08.05.01 Строительство уникальных зданий и сооружений, специализация Высотные и большепролетные здания и сооружения

Нижний Новгород ННГАСУ

2016

УДК 624.014 (075)

Кочетова Е.А., Морозов Д.А. МК высотных и большепролетных зданий и сооружений. [Электронный ресурс]: учеб.- метод. пос. / Е.А. Кочетова, Д.А. Морозов; Нижегор. гос. архитектур. - строит. ун - т – Н. Новгород: ННГАСУ, 2016. – 13 с; ил. 1 электрон.

опт. диск (CD-RW)

Приведены рекомендации практического усвоения курса лекций по дисциплине «МК высотных и большепролетных зданий и сооружений», изложены основные вопросы по конструированию и расчету соединений и элементов металлических конструкций.

Предназначено обучающимся в ННГАСУ для подготовки к практическим занятиям по специальности 08.05.01 Строительство уникальных зданий и сооружений, специализация Высотные и большепролетные здания и сооружения.

3

Введение.

Целью освоения учебной дисциплины Металлические конструкции высотных и большепролетных зданий и сооружений является подготовка студентов старших курсов (5-6 курсы) к профессиональной деятельности по проектированию и строительству высотных зданий и сооружений со стальным каркасом.

При работе на практических занятиях по дисциплине Металлические конструкции высотных и большепролетных зданий и сооружений студент специальности 08.05.01 Строительство уникальных зданий и сооружений, специализация Высотные и большепролетные здания и сооружения должен согласно индивидуальному заданию выполнить упражнения для практического освоения курса лекций.

Изучив курс металлических конструкций, студент должен обладать следующими навыками:

а) применять существующие методы инженерных изысканий для проектирования стальных конструкций и деталей с использованием лицензионных программ САПР;

б) разрабатывать эскизные, технические и рабочие проекты уникальных зданий и сооружений, применять универсальные программные САПР при расчете КЭ-моделей каркасов уникальных высотных и большепролетных зданий и сооружений;

в) применять существующие нормативные документы к проектированию высотных и большепролетных зданий и сооружений; к мониторингу построенных уникальных зданий и сооружений.

Учебная дисциплина Б.1.66.01. Металлические конструкции высотных и большепролетных зданий и сооружений относится к Блоку 1. Модуль 1. Проектирование и строительство высотных и большепролетных зданий и сооружений с применением металлических конструкций.

Настоящее учебно-методическое пособие предназначено для преподавателей кафедры строительных конструкций ННГАСУ в помощь при проведении практических занятий и для студентов 5 курса ННГАСУ по дисциплине МК высотных и большепролетных зданий и сооружений. На практические занятия курса преподавателю в соответствии с действующим учебным планом выделено по 32 академических часа на группу в 9 и 10 семестрах.

В учебно-методическом пособии изложены основные рекомендации для преподавателей и студентов для практических занятий по следующему плану:

Семестр №9:

Раздел 1: "Конструкции высотных зданий со стальным каркасом."

1. Расчет и конструирование баз колонн высотных зданий (шарнирные, жест-

кие).

Здесь студенту предлагается ознакомиться с конструкцией узла баз колонн высотных зданий и выполнить расчет на основе исходных данных согласно индивидуального задания.

Студенту даются указания к практическим занятиям по конструированию и расчету базы центрально сжатой колонны:

1. Определение требуемой площади опорной плиты Принимая а = 1,0, находим по ф.102 [10] расчетное сопротивление бетона смятию и

требуемая площадь опорной плиты 2. Определение размеров опорной плиты в плане

4

Принимая толщину траверсы ttr = 10 мм, величину свеса с = 60 мм, находим ширину плиты

Находим требуемую длину плиты.

3. Определение толщины опорной плиты и напряжения в фундаменте под плитой Рассматриваем участки плиты, отличающиеся условиями опирания.

Участок 1. Плита закрепленная одной стороной. Вылет консоли с = 5см.

Участок 2. Плита опирается на три стороны. Размеры участка b, см (незакрепленная сторона), а, см. Отношение а/b=< 0,5, при котором плита рассматривается как консоль.

Участок 3. Плита опирается на четыре стороны.

По наибольшему моменту определяем толщину плиты Принимаем толщину плиты tp мм.

4. Определение размеров траверс Высоту траверсы находим по требуемой длине сварных швов, необходимых для

крепления траверсы к полкам колонны.

Принимаем ручную сварку электродами типа Э46 (табл. 56 [1]).

Поскольку условия Rw/Rwz> 1,1 и Rwf<Rwzβz/ βf, МПа выполняются, достаточно расчета по металлу шва.

Принимая в запас, что Ntr = N/2, кН (будет более точно, если учитывать, что давление на плиту передается всеми вертикальными элементами торца базы), находим требуемую длину сварных швов при kf = 8 мм.

Требуемая высота траверсы

Принимаем высоту траверсы htr, мм и толщину ttr, мм.

5. Проверка прочности траверсы

Погонная нагрузка на траверсу (при ширине грузовой площади dtr = с + ttr + b/2, см Находим расчетные усилия. Расчетная длина траверсы ltr=a, см.

Проверяем траверсы на прочность в опорном сечении: Проверяем траверсы на прочность в пролетном сечении Q=0:

Принятые размеры траверс должны удовлетворять условиям прочности.

6. Определение требуемой высоты катета угловых швов, необходимых для крепления траверс к плите

Общая длина сварных швов

Сучетом непроваров по 10 мм∑на каждый6 · 1,0шов получим расчетную длину

, см

Принимаем толщину угловых швов kf = kfmin, мм

7. Назначение анкерных болтов Принимаем два анкерных болта диаметром 20 мм

8. Определение площади верхнего обреза фундамента При принятой величине определяем требуемую площадь обреза

Принимаем размеры верхнего обреза фундамента больше размеров опорной плиты.

Более подробно по выполнению упражнения и пример выполнения студенту рекомендуется ознакомиться в учебной литературе [4, стр. 232-234].

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

дующие:

1) основы расчета и проектирования базы центрально сжатой колонны;

5

2)основы расчета и проектирования сварных соединений на угловых швах при разных НДС соединяемых элементов стальных конструкций.

2. Расчет и конструирование шарнирного узлов сопряжения ригелей с колоннами в высотных зданиях.

Здесь студенту предлагается ознакомиться с конструкцией узла шарнирного примыкания балки к колонне и выполнить расчет на основе исходных данных согласно индивидуального задания.

Студенту даются указания к конструированию и расчету шарнирного примыкания балки к колонне.

1.Задание: рассчитать и законструировать узел шарнирного примыкания балки к колонне; и перечисляются исходные данные: N, кН; Сталь; Q, кН; Rs МПа.

2.При действии в балке нормальной силы N предельная реакция пр определяется:

- для болтов

пр пр , кН

- для швов крепления уголка

2. Предельная реакция пропределяется из двух вариантов узла:

A - для крепления балки к полке колонны без учета действия Мизг на болты

Б - для крепления балки к полке колонны с учетом действия Мизг на болты, по фор-

3. Расчет и конструирование фланцевых соединений в стыках конструкций высотных зданий.

Здесь студенту предлагается ознакомиться с конструкцией фланцевого узла сопряжения колонн и выполнить расчет на основе исходных данных согласно индивидуального задания.

Студенту даются указания к практическим занятиям по конструированию и расчету болтовых соединений на высокопрочных болтах

6

Определение податливости (жесткости) фланцевого соединения при изгибе из плоскости двутавра представляет задачу, связанную с неопределённостью распределения внутренних усилий в соединении и нелинейной работой самих фланцев при их изгибе. Для решения этой задачи введём упрощающие допущения:

1. Поворот соединения происходит вокруг оси, соединяющей наружные грани по-

лок.

2.Повороту соединения препятствуют реактивные усилия, возникающие в околофланцевом сечении. Распределение реактивных усилий принимается линейным, а их величина зависит от толщины фланца, его расчетного пролёта, расстояния от оси поворота соединения и угла этого поворота.

3.Реактивные усилия определяются как для защемлённых или консольных пластин, нагруженных сосредоточенной силой посередине.

4.Работа зон фланца вблизи полок и стенки предполагается независимой.

5.Для учета фактической работы в теоретические формулы для определения податливости фланцевых соединений вводятся корректирующие коэффициенты, полученные путём численного моделирования.

При действии изгибающего момента М в плоскости полок двутавра, за счет деформаций фланцев, соединение поворачивается на угол. При этом в околофланцевой зоне возникают реактивные усилия, препятствующие этому повороту.

Для определения реактивных напряжений qf и qw рассмотрим участок фланца единичной ширины, нагруженный посередине сосредоточенной силой Р и защемлённый на

ных участков вблизи полок и стенки найдём как величину момента при угле поворота со-

Расчет болтов:

Необходимо рассчитать болтовое соединение на фланцах на действие момента. Момент при изгибе фланца определяют как в защемлённой балке пролётом b, рав-

ным расстоянию между болтами.

Приводим момент М к нормальной; силе,F·G·действующей на болты Н

у B фл 5 KL@

Тогда напряжение во фланце: E H·I·J ,

Принимаем размеры фланца и проверяем напряжение во фланце. Производиться расчёт болтов на растяжение:

Принимаем количество, диаметр db и класс прочности болтов. Выполняем проверку.

7

Вывод: условие прочности болтового соединения выполнено.

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

1)основы работы и расчета фрикционных соединений на высокопрочных болтах с контролируемым натяжением при разных НДС соединяемых элементов;

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

Раздел 2: "Конструкции большепролетных зданий со стальным каркасом." 1. Узлы тяжелых ферм (болтовые соединения).

Здесь студенту предлагается ознакомиться с конструкцией узла сварной тяжелой фермы на обычных болтах и выполнить расчет на основе исходных данных согласно индивидуального задания.

Студенту даются указания к конструированию и расчету узла сварной тяжелой фермы на обычных болтах на основе примера:

1.Принимаем исходные данные;

2.Определяем прочностные характеристики стали и расчетные сопротивления бол-

тов

3.Вычисляем расчетное усилие, которое может быть воспринято одним болтом при срезе и при смятии;

4.Вычисляем количество болтов в соединении для четырех элементов при действии соответствующих усилий. Принимаем количество болтов, округленных до четырех в большую сторону.

5.Оформить выполненное упражнение.

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

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

2)основы расчета сдвиговых соединений на болтах классов точности «А» и «В» при разных НДС соединяемых элементов;

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

2. Расчет опорных узлов арок. Плиточные и пятниковые шарниры.

Здесь преподаватель поясняет студентам основные принципы работы плиточных и пятниковых шарниров и даются указания к конструированию и расчету узла плиточного шарнира на основе примера:

1.Принимаем исходные данные;

2.Диаметр цилиндрической поверхности, длина и ширина плиты

3.Определяем прочностные характеристики стали по табл. В.5 [2]

4.Определяем расчетное сопротивление диаметральному сжатию катков (при свободном касании в конструкциях с ограниченной подвижностью) по табл. В.7 [2]

5.Выполняем расчет плиточного шарнира на смятие при свободном касании:

6.Необходимая толщина плиты определяется из условия ее работы на изгиб как консоли при равномерном загружении опорным давлением по верхней поверхности. Тол-

щину плиты принимаем из ряда 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 25, 28, 30, 32, 36, 40 мм.

10.Оформить выполненное упражнение.

8

Таким образом, основные вопросы, которые студент должен освоить по теме работы и расчетов опорного плиточного шарнира арки, следующие:

1)основы работы элементов опорного узла на смятие при свободном касании;

2)основы конструирования и основные типы конструкций опорных шарниров большепролетных арок.

3. Конструирование и расчет анкерных узлов в предварительно напряженных большепролетных фермах.

Здесь студенту предлагается ознакомиться с конструкцией узла фермы с затяжкой на сварке и выполнить расчет на основе исходных данных согласно индивидуального задания.

Студенту даются указания к конструированию и расчету анкерного узла в предварительно напряженной большепролетной ферме на основе примера:

1.Вычисляем длину швов для прикрепления нижнего пояса к фасонке при максимальном усилии в поясе;

2.Вычисляем длину швов для прикрепления раскоса а-б к фасонке при распределении усилий между обушком и пером соответственно 0,7 и 0,3, при максимальном усилии в раскосе;

3.Рассчитываем прикрепление горизонтальных ребер к фасонке с учетом эксцентриситета, положение центра тяжести сварных швов, момент инерции шва, момент сопротивления шва;

4.Определяем напряжения в верхних и нижних точках шва. В расчете принимается большее напряжение.

5.Оформить выполненное упражнение.

4. Конструирование и расчет балансирных шарниров в опорах тяжелых ферм или арок.

Здесь преподаватель поясняет студентам основные принципы работы балансирных шарниров и даются указания к конструированию и расчету на основе примера:

1.Принимаем исходные данные: нормальная сила на опоре, диаметр и длину цилиндрической цапфы;

2.Определяем расчетное сопротивление на местное смятие в цилиндрических шарнирах при плотном касании по табл. В.7 [2]

3.Из предположения, что напряжения по цилиндрической поверхности цапфы распределяются по закону косинуса и линию контакта в запас ограничена углом π/2, вычисляем наибольшее напряжение в цапфе;

4.Подошву балансира рассчитываем на изгиб под равномерным опором фундамента;

5.Оформить выполненное упражнение.

Таким образом, основные вопросы, которые студент должен освоить по теме работы и расчетов опорного балансирного шарнира арки, следующие:

1)основы работы элементов опорного узла на местное смятие в цилиндрических шарнирах при плотном касании;

2)основы конструирования и основные типы конструкций опорных шарниров большепролетных арок.

9

Семестр №10:

Раздел 3: "Конструкции высотных сооружений со стальным каркасом."

На примере расчета башни преподаватель перечисляет основные нагрузки, действующие на высотные здания: постоянные, временные (снег, ветер), технологические и динамические.

На основе примера разрабатывается расчетная схема каркаса высотного здания (КЭ-модель каркаса):

Выполняется задание нагрузок на пространственную КЭ-модель каркаса высотного мачтового сооружения.

Преподаватель разъясняет основные особенности статического и динамического расчета каркаса высотного башенного сооружения, принципы приведения нагрузок к сосредоточенным массам и учет форм колебаний.

Выполняется обработка результатов расчета: вывод РСУ и выбор усилий для конструктивного расчета каркаса.

Выполняется конструктивный расчет основных элементов каркаса высотного сооружения башенного типа.

На примере расчета мачты преподаватель перечисляет основные нагрузки, действующие на мачтовые сооружения. Делается выбор материала и выполняется определение жесткостей стержня и оттяжек.

Определяются усилия предварительного напряжения. Выполняется статический и динамический расчеты мачт.

Выполняется проверка перемещений каркаса мачт от расчетных сочетаний нормативных нагрузок.

Раздел 4: "Конструкции большепролетных сооружений со стальным каркасом."

1.Основы расчета предварительно напряженной фермы типа «арка с затяжкой».

Здесь студенту предлагается рассчитать и законструировать предварительно-

напряженную ферму типа «арка с затяжкой», являющуюся несущей конструкцией покрытия на основе исходных данных согласно индивидуального задания.

Подбираем сталь и определяем прочностные характеристики по табл. В.5 [3]: Затяжку принимаем в соответствии с [5].

Разрабатываем геометрическую схему фермы.

Выполняем сбор нагрузок: собственный вес покрытия, снеговая нагрузка. Выполняем статический расчет фермы

Расчеты производим с помощью вычислительного комплекса "SCAD". Выполняем расчет фермы:

а) Решаем основную систему от внешней нагрузки F=Fg+Fs.

б) Решаем основную систему, загруженную единичным усилием в затяжке.

В первом приближении определяется площадь поперечного сечения критических стержней фермы

Определяется max усилие в затяжке из условия, что в любом стержне. Связываем max усилие в затяжке с работой критического стержня:

Подбирается сечение затяжки в 1-ом приближении Определяются усилия во всех стержнях фермы в первом приближении

Подбирается площадь сечения всех стержней фермы в первом приближении Определяется величина min предварительного напряжения затяжки в первом при-

ближении из условия Проверяется устойчивость критического стержня на стадии предварительного на-

пряжения Определяются усилия во всех стержнях фермы на стадии предварительного напря-

жения