5686

МИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»

О.Б. Иванова, Е.А. Кочетова

МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ

Учебно-методическое пособие

по подготовке к лекциям и практическим занятиям (включая рекомендации по организации самостоятельной работы) по дисциплине «Металлические конструкции»

для обучающихся по специальности 08.05.01 Строительство уникальных зданий и сооружений, специализация Строительство гидротехнических сооружений повышенной ответственности

Нижний Новгород

2022

МИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»

О.Б. Иванова, Е.А. Кочетова

МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ

Учебно-методическое пособие

по подготовке к лекциям и практическим занятиям (включая рекомендации по организации самостоятельной работы) по дисциплине «Металлические конструкции»

для обучающихся по специальности 08.05.01 Строительство уникальных зданий и сооружений, специализация Строительство гидротехнических сооружений повышенной ответственности

Нижний Новгород ННГАСУ

2022

УДК 624.014 (075.8)

Иванова, О. Б. Металлические конструкции : учебно-методическое пособие / О. Б. Иванова, Е. А. Кочетова ; Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет. – Нижний Новгород : ННГАСУ, 2022. – 23 с. – Текст : электронный.

Приведены рекомендации по изучению курса лекций и подготовке к практическим занятиям по металлическим конструкциям зданий и сооружений. Приведены основные особенности изучения лекций, изложены основные положения 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; приведены современные требования к проектированию и строительству инженерных сооружений, включая здания; рассмотрены стальные гидротехнические сооружение – плоские затворы, сегментные затворы, ворота шлюзов, трубопроводы, сороудерживающие решетки.

Предназначено для обучающихся в ННГАСУ для подготовки к лекционным и практическим занятиям по учебной дисциплине "Металлические конструкции" по специальности Строительство уникальных зданий и сооружений, специализация Строительство гидротехнических сооружений повышенной ответственности.

© Е.А. Кочетова, 2022 © О.Б. Иванова, 2022 © ННГАСУ, 2022

3

Введение.

В своей практической деятельности специалист 08.05.01 Строительство уникальных зданий и сооружений, специализация Строительство гидротехнических сооружений повышенной ответственности может встречаться или с проектированием и возведением строительных стальных конструкций, или с их эксплуатацией. Во всех этих случаях ему необходимо четко представлять работу стальных конструкций под нагрузкой.

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;

г) проектировать совместную систему комплекса элементов на основе изучения одноэтажных производственных зданий (ОПЗ), оборудованных мостовыми кранами;

д) проектировать различные виды поверхностных затворов; е) иметь представление о проектировании сороудерживающих решеток, трубопро-

водов, воротов шлюзов.

Изучению курса металлических конструкций должно предшествовать изучение следующих дисциплин: металловедение и сварочные работы в строительстве; сопротивление материалов; строительная механика; архитектура промышленных и гражданских зданий.

Тема 1. Основные особенности изучения общего курса стальных конструкций

Приступая к изучению данного курса лекций, студент должен 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. И это – первая особенность изучения

студентами данного курса лекций.

Вторая особенность изучения данной дисциплины состоит в том, что нормативная база построена на принципах итерационных поверочных расчетов элементов на основе предварительных заданных параметров: сечений, материалов; первичных усилий, полученных с идеализированных расчетных схем; а задача конструктора – создать надежную конструктивную схему здания (сооружения), обеспечивающую простой и надежный путь движения силовых потоков.

Третья особенность определена максимально простыми алгоритмами поверочных расчетов элементов при сохранении требуемой надежности по нормам, но при понимании студентом теоретических обоснований принятых алгоритмов и расчетных положений.

Изучая расчеты и проектирование отдельных элементов и их соединений, студент должен понимать, что конструкции зданий (сооружений) делятся на три основные группы:

1) несущие, образующие основной каркас,

4

2) ограждающие (не только стальные), выполняющие целый ряд других функций при эксплуатации здания (сооружения): изолирующие, температурно-влажностные, обеспечение сопротивления атмосферным нагрузкам и другие;

3) вспомогательные: лестницы (в том числе и стальные), площадки, окна, ворота; другие, предназначенные для обслуживания строительного объекта.

Более подробно об этом студенту рекомендуется самостоятельно ознакомиться в учебной литературе [1, стр. 26-30] и законспектировать в дополнение к аудиторному конспекту лекций.

Тема 2. Выбор материалов для строительных стальных конструкций

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. 105, 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.

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]).

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

7)основные достоинства и недостатки сталей для строительных конструкций.

На практических занятиях выполняется задача по теме.

Тема 3. Основные положения расчета стальных строительных конструкций по предельным состояниям

При освоении данной темы студенту важно понять, что в основу расчетов стальных конструкций по предельным состояниям положен принцип обеспечения заданных условий эксплуатации при минимальной стоимости конструкций. Метод расчета по предель-

5

ным 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.

Для лучшего освоения МПС студенту рекомендуется ознакомиться с ГОСТ 542572010 [5], который с 11.12.2014 г. переформатирован в ГОСТ 27751 – (действовал с 1988 г.) [6], а сейчас называется как ГОСТ 27751-2014. В новом ГОСТ 27751 обозначены все основные нормативы для расчетов по предельным состояниям. При этом одними из нормативных положений обозначены нормативные и расчетные нагрузки и воздействия, подробно изложенные в [7].

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 состояний прогибы; 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].

Кроме того, студент, создавая из конструктивных схем каркасов расчетные схемы, должен обеспечить в последних условиях работы, близкие к действительным.

Тема 4. Основы работы, расчета и проектирования болтовых соединений элементов стальных строительных конструкций

Приступая к освоению данной темы студенту, помимо информации, получаемой на лекциях, полезно по литературе [1, стр. 127-129] ознакомиться с историей применения и

6

развития болтовых соединений. Современные требования к болтам и болтовым соедине-

ниям 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].

Особое место занимают фрикционные соединения на высокопрочных болтах [2, р.

14.3].

Во всех болтовых соединениях важное значение имеет точность посадки болтов в отверстия. По этому признаку болтовые соединения в современных нормах [2, р.14.2] имеют два класса «А» и «В».

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 элементы отверстиями под болты следует проверять на прочность.

Важное значение при освоении болтовых соединений имеют знания технологических 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 расчета сдвиговых соединений на болтах классов точности «А» и «В» при разных НДС соединяемых элементов;

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

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

На практических занятиях выполняется задача по теме.

Тема 5. Основы работы, расчета и проектирования сварных соединений элементов стальных строительных конструкций

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

7

2)по положению в пространстве соединений элементов – палубные (нижние); 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;

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;

8)понятие о свариваемости стали [1, стр. 161-163], [2, табл. В.4], [3].

На практических занятиях выполняется задача по теме.

Тема 6. Основы проектирования и расчета изгибаемых элементов стальных строительных конструкций

При освоении данной темы студенту желательно рассматривать основы проектирования изгибаемых элементов отдельно из прокатных и гнутых профилей и отдельно элементов составного сечения (в основном сварных):

6,а. Основы проектирования и расчета балок из прокатных двутавров и швеллеров, гнутых профилей открытого и замкнутого сечений

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 –

8

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 или швеллере 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 и гнутый 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.

Студенту-выпускнику вуза в практической работе могут потребоваться умения делать поверку прочности существующих настилов при их эксплуатации. Этот вопрос в лекциях также рассматривается в форме методики поверочных расчетов.

Для проектирования более надежных и экономичных прокатных балок студенту дается современная нормативная база по делению элементов стальных конструкций на три класса в зависимости от использования упругой или упруго-пластической работы стали. По этому же признаку на три класса делятся и балки, в том числе прокатные двутавровые.

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.

Особо выделен вопрос, трудно дающийся студентам, по особенностям расчета на прочность неразрезных прокатных балок. Здесь вопрос раскрывается с разделением на классы балок, учтены разрные расчетные схемы: однопролетные с шарнирными опорами, защемленные в опорах балки и многопролетные с шарнирными опорами и защемленными крайними опорами. Показано, при каких условиях неразрезные балки следует рассчитывать по упругой стадии работы стали (как балки первого класса), а при каких – как балок второго и третьего классов с учетом развития пластических деформаций.

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 и гнутых профилей, следу-

ющие:

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

9

2)классификация балочных систем;

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

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

5)деление балок на классы в зависимости от назначения и условий эксплуатации;

6)алгоритм расчета разрезных балок из прокатных и гнутых профилей;

7)особенности расчета на прочность неразрезных прокатных двутавровых балок;

8)основы проверок прокатных двутавровых балок на общую устойчивость;

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

На практических занятиях выполняется задача по теме.

6,б. Основы проектирования и расчета балок составного сечения (сварных) при статических нагрузках

Здесь в процессе изложения лекций преподаватель знакомит студентов со следующими вопросами:

-основные принципы компоновки поперечного сечения балок исходя из экономических соображений по расходу стали (определяется оптимальная высота поперечного сечения балки постоянного сечения) и из условий допускаемого прогиба (определяется минимальная высота при полном использовании расчетного сопротивления стали на изгиб). При этом обеспечивается необходимая толщина стенки из условий среза от расчетной поперечной силы и из условий ее местной устойчивости (по допускаемой гибкости):

-рекомендуемый алгоритм предварительного подбора расчетного сечения составной сварной балки первого класса, однопролетной с шарнирными опорами, включающей

следующие вопросы:

1) компоновка балочной системы перекрытия (покрытия), включающей балки составного сечения, сварные;

2) выбор расчетной схемы составной сварной балки из системы перекрытия (покрытия);

3) выполнение статического расчета с определением расчетных сочетаний усилий М, Q от системы нагрузок;

4) определение оптимальной и минимальной высот поперечного сечения;

5) назначение фактической высоты поперечного сечения балки;

6) назначение толщины стенки;

7) определение поперечного сечения поясов; 8) проверки назначенного сечения балки по первому и второму предельным состо-

яниям и корректировки его при необходимости;

-проверки на прочность составных балок постоянного сечения по длине пролета (они аналогичны проверкам прокатных двутавровых балок первого, второго и третьего классов, в том числе и неразрезных);

-для бистальных разрезных двутавровых балок постоянного сечения при установленных ограничениях [2, п. 8.2.8] допускается расчет на прочность с учетом ограниченного развития пластических деформаций как для балок второго класса при изгибе как в плоскости наибольшей жесткости, так и при изгибе в двух главных плоскостях; в зоне чи-