3346

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

«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»

В.В. Пронин, Д.А. Морозов

ПРИМЕРЫ РАСЧЕТА ЭЛЕМЕНТОВ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ

Учебно-методическое пособие по подготовке к практическим занятиям по

дисциплине «Металлические конструкции», 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 (075.8)

Пронин В.В., Морозов Д.А. Примеры расчета элементов металлических конструкций. [Электронный ресурс]: учеб.- метод. пос. / В.В. Пронин, Д.А. Морозов; Нижегор. гос. архитектур. - строит. ун - т – Н. Новгород: ННГАСУ, 2016. – 16 с; ил. 1 электрон.

опт. диск (CD-RW)

Приведены рекомендации практического усвоения первой части курса лекций по дисциплине «Металлические конструкции», 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.

© В.В. Пронин, Морозов Д.А. 2016 © ННГАСУ, 2016.

3

Введение.

При работе на практических занятиях по дисциплине Металлические конструкции (Общий курс) студент направления 08.05.01 Строительство уникальных зданий и сооружений, специализация Высотные и большепролетные здания и сооружения должен согласно индивидуальному заданию выполнить упражнения для практического освоения первой части курса лекций.

Изучив курс 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 преподавателей кафедры строительных конструкций ННГАСУ в помощь при проведении практических занятий и для студентов 4 курса (7-ой семестр) ННГАСУ в помощь при выполнении упражнений на практических занятиях по дисциплине Металлические конструкции (Общий курс). На практические занятия по первой части курса преподавателю в соответствии с действующим учебным планом выделено 16 академических часов на группу.

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

1.Выбор стали и материалов для сварки.

2.Конструирование и расчет сварных соединений.

3.Конструирование и расчет болтовых соединений.

4.Конструирование и расчет прокатных балок.

5.Конструирование и расчет сечения сварной балки.

6.Конструирование и расчет центрально сжатых колонн.

7.Конструирование и расчет элементов ферм.

1. Выбор стали и материалов для сварки

Выбор материала конструкции и материалов для электродуговой сварки является основным и обязательным этапом проектирования строительных конструкций. От правильного выбора этих материалов зависит надежность, экономичность и долговечность сооружения. Важно усвоить принципы деления на группы [2, стр. 118, Приложение В], а также деление на три климатические зоны по расчетной температуре наиболее холодных суток [2, табл. В.1]

Здесь также студенту предлагается усвоить основные экономические характеристики фасонного проката и гнутых профилей по разным ГОСТ (ам) в зависимости от их применения в элементах, работающих на растяжение и сжатие; на изгиб.

4

Указания к практическим занятиям по выбору стали и материалов для свар-

ки

1.Для выбора стали по Приложению В [2] определяем группу конструкций.

2.По таблице В.1 [2] выбираем сталь.

3.Определяем прочностные характеристики стали по табл. В.5 [2] и табл. 2 [2]: Ryn,

Ry, Run, Ru, Rs, Rp.

4.Оформить выполненное упражнение в виде таблицы.

5.Выбираем материалы для сварки заданных видов конструкций по табл. Г.1 [2]: проволоку, флюс и электрод.

6.Определяем прочностные характеристики для стыкового сварного шва по табл. 4

[2]: Rwy, Rws.

7. Определяем прочностные характеристики для углового сварного шва по табл. Г.2 [2] и табл. 4 [2]: Rwf, Rwz.

8. Оформить выполненное упражнение в виде таблицы.

Контрольные вопросы к практическим занятиям по выбору стали и материалов для сварки

1.Какими соображениями руководствуются при выборе строительной стали?

2.В зависимости от чего конструкции различают по группам?

3.Как практически выбрать сталь по СП 16.13330.2011?

4.Как влияет отсутствие сварных соединений на выбор стали для элементов конструкций?

5.Можно ли принимать более качественные стали, чем минимально требуемые? Если да, то при каких условиях?

6. Что значат цифры для стали С345 в графах таблицы В.5

СП 16.13330.2011?

7.Что значат Ryn и Run, и как они определяются?

8.Что такое Ry и Ru и как они связаны с Ryn и Run?

9.Как получают расчетные сопротивления сталей срезу Rs, смятию Rp и т.д.?

10.Как и почему влияет толщина и способ проката на величины Ry и Ru?

11.Какие факторы влияют на выбор материалов для электродуговой сварки?

12.Что значит буква «А» в марках электродов для ручной сварки (Э42А, Э50А и т.д.)?

13.Как определяют расчетные характеристики наплавленного металла?

Более подробно по выполнению упражнения и пример выполнения студенту рекомендуется ознакомиться в учебной литературе [3, стр. 5-9], по теме практического занятия

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

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

1)основные технические характеристики стали по механическим свойствам;

2)основные принципы классификации строительных конструкций по группам эксплуатации;

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

4)основные экономические характеристики фасонного проката и гнутых профилей по разным ГОСТ в зависимости от НДС конструкций.

5

2. Конструирование и расчет сварных соединений

Электродуговая сварка является основным способом соединения деталей в металлических конструкциях. В расчетах обычно определяют требуемые размеры сварных швов или проверяют прочность сварных соединений.

Указания к практическим занятиям по конструированию и расчету стыковых сварных соединений

1. Выбрать сталь по табл. В.1 [2] и его расчетные характеристики Ry, по табл. В.5

[2].

2.Выбрать материалы для сварки в зависимости от вида сварки по табл. Г.1 [2].

3.Определить расчетные прочностные характеристики сварного стыкового шва по п.6.4 и табл. 4 [2].

4.Проверить соединение на прочность по приведенным напряжениям на совмест-

Примечание. Если условие прочности не выполняется надо или увеличить lw, выведя шов на подкладки, или увеличить сечение соединяемых листов, или обеспечить физический контроль качества швов, или применить косой (наклонный) сварной шов и повторить проверку прочности швов.

5.Выполнить эскиз соединения.

6.Оформить выполненное упражнение.

Указания к практическим занятиям по конструированию и расчету угловых сварных соединений

4.В соответствии с п. 14.1.7 [2] назначить катеты сварных швов.

5.Согласно п. 14.1.16 [2] определить условие, по которому определяется длина

6.Используя формулы 176 и 177 п. 14.1.16 [2] определить требуемую длину шва.

7.Назначить расчетные длины сварных швов по перу и обушку присоединяемых

уголков.

6

Примечание. lобw и lпероw округляют до целых чисел, принимая не менее 4kf + 1 см и не менее 50 мм (п. 14.1. [2]).

8.Выполнить эскиз соединения с указанием размеров сварных швов.

9.Оформить выполненное упражнение.

Контрольные вопросы к практическим занятиям по конструированию и расчету сварных соединений

6.Как определяют расчетные сопротивления Rwf и Rwz?

7.Как происходит разрушение угловых швов, и почему при их расчете используют два расчетных сопротивления?

8.Что такое лобовые и фланговые угловые швы, и есть ли разница в их работе и характере разрушения?

9.Как принимают высоту углового шва по катету, и какие есть ограничения на kf, min, kf,

max?

10.Как принимают расчетную длину углового шва, какая длина шва указывается на чертеже?

11.Какими условиями ограничивается максимальная длина угловых фланговых швов?

12.Как принимают минимальную расчетную длину углового шва, какая длина шва указывается на чертеже в этом случае?

13.Что должно быть указано на чертеже для расчетных угловых швов?

14.Какие конструктивные меры и для чего принимают при выполнении сварных соединений в конструкциях, воспринимающих динамические и вибрационные нагрузки?

Более подробно по выполнению упражнения и пример выполнения студенту рекомендуется ознакомиться в учебной литературе [3, стр. 10-16], по теме практического заня-

тия [1, гл. 3, стр. 83-126]; [6, гл. 2, стр. 59-161]; [4, р.4-5]; [5, р. 5-11].

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

дующие:

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

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

3. Конструирование и расчет болтовых соединений

Болтовые соединения широко используют при монтаже и укрупнительной сборке металлических конструкций. Различают болтовые соединения, работающие на сдвиг, и сдвигоустойчивые соединения на высокопрочных болтах. В первых – усилия передаются через болты или через площадки смятия соединяемых элементов в отверстиях под болты, во вто-

7

рых – за счет сил трения между соединяемыми элементами. В тех и других соединениях целью расчета является или определение требуемого количества болтов для передачи заданного усилия, или проверка прочности соединения.

Указания к практическим занятиям по конструированию и расчету болтовых соединений

1.Выбрать сталь по табл. В.1 [2] и его расчетные характеристики Ryn, Ry, Run по табл. В.5 [2] для уголка и для фасонки.

2.Определить расчетные сопротивления болтов срезу и смятию соединяемых элементов по табл. Г.5 и Г.6 [2].

3.По таблице рисок (Приложение 6 [3]) принять диаметр отверстия и диаметр болта (на 1-3 мм меньше) и расстояния до центра отверстия болта поперек усилия.

По п. 14.2.2 и таблице 40 [2] определить расстояния вдоль усилия между центрами отверстий s и от центра отверстия до края элемента а.

4. В соответствии с п. 14.2.9 [2] определить требуемое количество болтов в соединении по прочности на срез:

6.Принимаем количество болтов большее из двух условий, округленных до целого

вбольшую сторону.

7.Проверить прочность прикрепляемых уголков по ослабленному сечению. При этом в качестве площади поперечного сечения принимать площадь уголков нетто. Если прочность уголков по ослабленному сечению не обеспечена, то следует увеличить их толщи-

8

ну (если позволяет сортамент) или увеличить размер уголков и повторить проверку прочности ослабленного сечения.

8.Выполнить эскиз соединения.

9.Оформить выполненное упражнение.

Указания к практическим занятиям по конструированию и расчету болтовых соединений на высокопрочных болтах

1.Выбрать сталь по табл. В.1 [2] и его расчетные характеристики Ry, по табл. В.5

[2]для уголка.

2.По таблице рисок (Приложение 6 [3]) принять диаметр отверстия и диаметр болта (на 1-3 мм меньше) и расстояния до центра отверстия болта поперек усилия.

3.Определить временное сопротивление высокопрочных болтов и расчетное сопротивление болтов растяжению по табл. Г.8 [2].

4.В соответствии с п. 14.3.4 [2] определить требуемое количество высокопрочных болтов в соединении:

5. Принимаем количество болтов, округленных до целого в большую сторону. По п. 14.2.2 и таблице 40 [2] определить расстояния вдоль усилия между центрами отверстий s и от центра отверстия до края элемента а.

7.Проверить прочность прикрепляемых уголков по ослабленному сечению по п.14.3.11 [2]. Если прочность уголков по ослабленному сечению не обеспечена, следует увеличить толщину уголка (если позволяет сортамент) или увеличить размер уголков и повторить проверку.

8.Выполнить эскиз соединения.

9.Оформить выполненное упражнение.

Контрольные вопросы к практическим занятиям по конструированию и расчету болтовых соединений

1.Какие классы точности болтов известны и чем они различаются?

2.Как принимают диаметры отверстий под болты?

3.В чем особенность соединений на болтах классов точности «А», «В», «С»?

4.Что значат цифры в названии класса прочности болта?

5.Как выбрать класс прочности болта?

6.Как передается усилие в болтовом соединении, и как может произойти его разрушение?

7.Можно ли крепить элементы одним болтом?

8.Какой длины должна быть ненарезанная часть болта в соединении, работающем на сдвиг?

9.На какое усилие рассчитывают болты в соединениях, работающих одновременно на сдвигающее усилие и момент?

9

10.Как передается усилие в соединениях на высокопрочных болтах?

11.Как обрабатывают поверхности соединяемых элементов в соединениях на высокопрочных болтах?

12.Как контролируют степень натяжения высокопрочных болтов?

13.Как проверяют прочность ослабленного сечения соединяемых элементов в соединениях на высокопрочных болтах?

14.Как размещают болты на листовом и фасонном прокате?

15.Как определяют расчетные сопротивления для болтов и соединяемых элементов?

16.В каком случае можно считать болты равнонагруженными в болтовом соединении?

17.Какие диаметры болтов рекомендуются к применению?

Более подробно по выполнению упражнения и пример выполнения студенту рекомендуется ознакомиться в учебной литературе [3, стр. 17-25], по теме практического заня-

тия [1, стр. 164-184]; [6, стр. 152-166]; [2, р.14, п. 14.2; 14.3; р. 15: п. 15.9; 15.11].

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

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

4. Конструирование и расчет прокатных балок.

Металлические прокатные балки являются наиболее распространенными элементами строительных конструкций. Поэтому умение рассчитывать такие балки является обязательным для инженеров всех специальностей. Особое внимание следует обратить на общую устойчивость балок.

Указания к практическим занятиям по конструированию и расчету прокатных балок

1.Определить расчетные усилия в балке М и Q.

2.Определить расчетные сопротивления стали Ry,и Rs по табл. В.5 и табл. 2 [2].

3.Согласно п. 8.2.1 [2] определить требуемый момент сопротивления.

4.Определить требуемый момент инерции, задавшись f = fu.

5.По сортаменту (Приложение 2 [3]) выбрать двутавр так, чтобы и момент инерции

имомент сопротивления по ГОСТ были минимально больше требуемых.

6.Проверить принятое сечение:

а) на прочность при действии М по п.8.2.1 [2]

б) на прочность при действии Q по п.8.2.1 [2]