10426

А. И. Колесов, В. В. Пронин, Е. А. Кочетова

СТАЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ

Часть 1

Общая характеристика и основы проектирования. Материалы и соединения элементов стальных конструкций. Балки, колонны и легкие фермы как элементы

зданий и сооружений.

Учебное пособие

Нижний Новгород

2018

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

«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»

А. И. Колесов, В. В. Пронин, Е. А. Кочетова

СТАЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ

Часть 1

Общая характеристика и основы проектирования. Материалы и соединения элементов стальных конструкций. Балки, колонны и легкие фермы как элементы зданий и сооружений

Утверждено редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия

Нижний Новгород ННГАСУ

2018

ББК 38.54 С 11

УДК 624.014(075.8)

Печатается в авторской редакции

Рецензенты:

В.А. Чернышев – д-р. экон. наук, профессор, президент ООО фирмы «Нижегородстрой» А. И. Никонов – директор ООО «НХСИнвестстрой»

Колесов А. И. Стальные конструкции зданий и сооружений. [Текст]: учеб. пособие. Ч.1 / А. И. Колесов, В. В. Пронин, Е. А. Кочетова; Нижегор. гос. архитектур.-

строит. ун-т. – Н. Новгород: ННГАСУ, 2018. – 178 с. ISBN 978-5-528-00294-1

Настоящее учебное пособие является первой частью общего курса «Металлические конструкции», изучаемого студентами ННГАСУ по специальности 08.05.01 «Строительство уникальных зданий и сооружений».

Изложены традиционные и современные требования к проектированию стальных конструкций зданий и сооружений.

Подробно освещены основы следующих разделов общего курса: выбор материалов для стальных строительных конструкций; основные положения расчетов стальных конструкций по предельным состояниям; проектирование, работа и расчет болтовых и сварных соединений; проектирование и расчет балочных конструкций, центрально сжатых колонн и легких ферм.

Учебное пособие предназначено для более полного и ускоренного усвоения аудиторного материала общего курса студентами данной специальности и может быть полезно для студентов, обучающихся в бакалавриате по направлению 08.03.01 «Строительство» (профиль «Промышленное и гражданское строительство», «ПГС»).

После окончания подготовки к печати настоящего учебного пособия вышел в свет и утвержден Минстроем России свод правил СП 294.1325800.2017 «Конструкции стальные. Правила проектирования» [23].

ВСП 294.1325800.2017 [23] ряд вопросов по расчету, проектированию (и, следовательно, эксплуатации) стальных конструкций получили уточнения, дополнения и разъяснения к действующему своду правил СП 16.13330.2017. Стальные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-23-81* [4] аналогично Пособию по проектированию стальных конструкций к СНиП II-23-81* от 1989 г.

Всвязи с этим при пользовании настоящим учебным пособием рекомендуется сверять соответствующие разделы СП 16.13330.2017 [4] с аналогичными разделами СП

294.1325800.2017.

ББК 38.54

3

СОДЕРЖАНИЕ

6

1. ОСНОВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ИЗУЧЕНИЯ ПЕРВОЙ ЧАСТИ ОБЩЕГО КУРСА «СТАЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ»

СТУДЕНТАМИ ННГАСУ

Организационные особенности

Опубликованные для учебного процесса за последние десятилетия книги и пособия [2, 7] вполне соответствуют традиционным примерным программам курса «Металлические конструкции» по специальности Промышленное и гражданское строительство.

В последние годы вузы по строительному профилю (2010…2016 г.г.) работают по новым стандартам (ФГОС 08.03.01 Строительство, бакалавриат; ФГОС 08.05.01 Строительство уникальных зданий и сооружений (СУЗ), специалитет) и соответствующим учебным планам, в которых аудиторному изучению металлических конструкций отведен ограниченный объем часов за счет существенного увеличения часов на самостоятельное изучение данной учебной дисциплины (как и многих других).

Поэтому для аудиторной работы преподавателя (лекции, практические занятия) и для самостоятельной работы студентов под контролем преподавателя (курсовое проектирование) имеется необходимость в издании учебных пособий, привязанных к действующим учебным планам и рабочим программам.

Настоящее учебное пособие (курс лекций – часть 1) предназначено для студентов 4 курса (7 семестр) ННГАСУ по специальности 8.05.01 (СУЗ), для которой по учебному плану в 7 семестре выделено:

−на лекции – 34 академических часа на поток;

−на практические занятия – 17 часов на академическую группу;

−на расчетно-графическую работу (РГР) – по одному часу на студента.

Исходя из выделенных лекционных часов 1 часть учебного пособия составлена из следующим тем:

тема 1 (раздел 3 ) − выбор материалов для строительных стальных конструкций зданий и сооружений;

тема 2 (раздел 4) – основные положения расчета стальных строительных конструкций по предельным состояниям;

тема 3 (раздел 5) – основы работы, расчета и проектирования соединений стальных строительных конструкций на болтах;

тема 4 (раздел 6) – основы работы, расчета и проектирования сварных соединений стальных строительных конструкций;

тема 5 (раздел 7) – основы проектирования и расчета изгибаемых элементов стальных строительных конструкций;

тема 6 (раздел 8) – основы проектирования и расчета центрально сжатых колонн стальных строительных конструкций;

тема 7 (раздел 9) – основы проектирования и расчета легких ферм для стальных конструкций зданий и сооружений.

Принимая во внимание целенаправленность новых стандартов (ФГОС) на увеличение доли самостоятельной работы студента над изучением предмета (в том числе и без контроля преподавателя), аудиторные лекции планируется по каждой теме сопровождать списком тем рефератов (на добровольной основе) для студентов, желающих углубить свои познания предмета. Проверка таких рефератов не учитывается в учебной нагрузке преподавателя-лектора, но их результаты планируется учитывать в промежуточной аттестации студента за семестр. Возможно, что это подвигнет его к выполнению НИРС, что является оборотной стороной (научной со студентами) нагрузки преподавателя.

7

Технические особенности

В учебных пособиях [1, 2] приведен ряд важных особенностей, лежащих в основе современного изучения студентами конструкций зданий и сооружений. Отмечено, что «здания и сооружения, предназначенные для удовлетворения определенных потребностей общества, состоят из множества элементов, объединенных в системы». Инженер, решая практические задачи для отдельных подсистем, например для несущих конструкций, должен учитывать влияние целого. Главной задачей несущих конструкций является передача силовых потоков от мест приложения нагрузок на фундамент. В соответствии с объективными законами механики силовой поток, устремляясь к фундаментам, последовательно проходит по конструктивным элементам, сокрушая на своем пути все, что не способно обеспечить ему свободное продвижение. Переходя с одного элемента на другой, нагрузки постоянно меняются, принимая форму нормальных

ипоперечных сил, изгибающих и крутящих моментов, а в тесных рамках тонкостенных стержней преобразуются в изгибно-крутящие бимоменты или другие более сложные формы». Понять это – первая особенность изучения студентами курса металлических конструкций.

Задача конструктора состоит в том, чтобы при соблюдении всех необходимых требований к объекту проектирования создать конструктивную схему с элементами и узлами, обеспечивающими простой и надежный путь для передачи силовых потоков. При этом каждый элемент и сооружение в целом должны обладать комплексом свойств: надежности, прочности, долговечности, экономичности, ремонтопригодности

идругих. Вторая особенность изучения студентами курса и получения навыков проектирования металлических конструкций состоит в том, что нормативная база построена на принципах итерационных расчетов конструктивных элементов. Сначала производятся расчеты на усилия от предварительно заданных параметров сечений и материалов, полученные в идеализированных расчетных схемах, а затем производится повторный статический и конструктивный расчеты с уточнением параметров и с удовлетворением их наиболее экономичных значений первому и второму предельным состояниям.

Третья особенность определена максимально простыми алгоритмами конструктивных расчетов элементов при сохранении требуемой надежности по действующим нормам, но при понимании конструктором (студентом) теоретических обоснований принятых алгоритмов и расчетных положений. Изучая расчеты и проектирование отдельных элементов, студент должен понимать, что из этих элементов состоят конструкции, а из конструкций формируются здания (сооружения).

Конструкции зданий и сооружений в зависимости от назначения делятся на три основные группы.

1.Несущие, образующие основной каркас здания (сооружения), - стальные при стальном каркасе.

2.Ограждающие (не только стальные), выполняющие: тепло-, влаго-, звуко, - изолирующие функции, а также воспринимающие атмосферные нагрузки и передающие их на несущие конструкции.

3.Вспомогательные: стальные лестницы, площадки и др., предназначенные для обслуживания технологического оборудования или несущих и ограждающих конструкций.

Номенклатура стальных конструкций отличается большим разнообразием (см. [2, стр. 6…9]. Широкое применение стальных конструкций в строительстве объясняется их существенными положительными свойствами, о чем будет сказано ниже при из-

ложении соответствующих тем пособия.

8

2.ТРАДИЦИОННЫЕ И СОВРЕМЕННЫЕ ТРЕБОВАНИЯ

КПРОЕКТИРОВАНИЮ СТАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

2.1.Традиционные требования

Н.С.Стрелецкий во втором издании книги «Основы металлических конструкций» [1] отметил следующие традиционные подходы к решению инженерных задач.

Основной подход – общий инженерный метод повторных приближений:

∙ проектирование должно начинаться с изучения назначения здания (сооружения) и технологии процесса, который оно обслуживает;

∙к этим вопросам присоединяются вопросы экономические, производст-

венные и эстетические, объединяющиеся в виде общего задания;

∙полученные на основании этого изучения материалы опытный проектировщик согласует со своим опытом и замыслом и получает надлежащее решение; начинающий проектировщик комбинирует полученные материалы на основании изученных примеров и, рационализируя их, также дает ответ на поставленную задачу; в обоих случаях процесс является творческим и увлекательным;

∙в результате этого процесса, определяющего по существу проектировочную работу, появляются, как правило, несколько возможных вариантов, оформленных в виде соответствующих чертежей и рисунков;

∙для выбора наилучшего варианта необходимы сравнения и анализ;

здесь требуется расчет сначала в упрощенных формах, затем все более совершенный и углубленный по мере развития проекта и его детализации;

∙основным преимуществом указанного подхода является его обозримость, т.к. такой метод быстрее приводит к цели и является самым эффективным.

Концентрический подход к проектированию выбранного варианта. Проектируя выбранный вариант здания, сооружения, основной его несущей кон-

струкции, инженер (студент) подходит к нему концентрически:

∙сначала компонует его в целом;

∙затем переходит к исследованию и проектированию отдельных его деталей, пока не получит удовлетворительного решения;

∙указанный метод относится и к деталям: сначала деталь намечают в целом, задаваясь ею, потом ее проверяют расчетом и совершенствуют.

Таким образом, хотя техника и основана на математике, ее коренное отличие от математики состоит в том, что техника дает всегда многообразные решения, она варианта, тогда как математика дает единственное решение своих алгоритмов. Вот почему неправильно начинать работу с расчета, хотя это и кажется с первого взгляда наиболее естественным. При этом аналитический подход к решению инженерной задачи при большом числе переменных крайне сложен, длителен и необозрителен; в его выкладках легко запутаться и придти к неверным результатам.

Однако, в современных условиях аналитические проблемы расчетов в ряде случаев позволяют существенно упростить компьютерные технологии (применение пакетов прикладных программ для статических расчетов и конструктивных расчетов по действующим нормам).

Цель и назначение расчетов.

Анализируя принимаемые конструкции и их детали при помощи расчетов, мы ставим себе двоякую цель.

∙ С одной стороны, мы хотим убедиться, что принятые размеры конструкций и их деталей являются безопасными, гарантирующими надежность работы здания или сооружения в целом, и стальных несущих конструкций, в частности, в течение сро-

9

ка его службы, и, в тоже время, являются достаточно экономичными, т.е. не требующими излишних запасов материалов.

∙С другой стороны, мы хотим убедиться, что во время эксплуатации конструкция и ее детали будут работать так, что технологических процесс не будет иметь ущерба или неудобств. Данная цель достигается расчетом возможных перемещений конструкций, их деформаций, не превышающих предельных по нормам.

∙Обе цели достигаются контролем напряженно-деформированного состояния (НДС) конструкций от нормативных и расчетных нагрузок и воздействий. И здесь важно, какой из этих двух факторов будет определяющим: деформации (перемещения

–их на практике контролировать проще, чем деформации) или напряжения.

При новом проектировании с практической точки зрения вначале следует обеспечить соответствие габаритов конструкции и сечений ее элементов допустимым перемещениям, а затем уточнять их через расчетные напряжения, контролируя при этом и перемещения.

2.2. Современные требования

Прочность и долговечность

Прочность и долговечность определяются рядом факторов: выбором материала, видом конструкции, запасами несущей способности, достоверным расчетом и качественным выполнением конструкции; надлежащей эксплуатацией здания (сооружения).

С точки зрения материальных затрат увеличение долговечности до последнего времени всегда было выгодно. При этом долговечность определяется технологией процесса, обслуживаемого зданием (сооружением), а также технологией эксплуатации самого здания (сооружения).

Таким образом, та конструкция является наиболее прочной и долговечной, которая наиболее удобна в эксплуатации, ибо всякие неудобства в эксплуатации приводят к снижению ухода за конструкцией и, следовательно, к снижению ее прочности и долговечности. Можно указать на ряд внешних мероприятий, повышающих долговечность эксплуатируемых стальных конструкций:

∙конструкция должна быть доступна к регулярному осмотру (открытость опорных узлов, доступность к систематической очистке от пыли пазух, щелей и неровностей);

∙возобновление защитной окраски, включая узловые щели и пазухи;

∙обеспечение качества кровли и других ограждающих конструкций.

Возможен и другой взгляд на долговечность зданий и сооружений. Быстро меняющиеся экономические условия требуют такой же быстрой переналадки как технологий производства, так и кардинальной смены ассортимента выпускаемой продукции в целом. В этом случае часто гораздо выгоднее демонтировать старое производство, включая здания и сооружения, а на его месте возвести современные здания, в которых организовать новые производства с применением новых технологий.

И в этом смысле здания со стальным каркасом наиболее удобны и приспособлены к такому процессу.

Быстрота возведения

∙ Деление конструкции на отправочные марки при ее изготовлении и монтажные их соединения должны удовлетворять оптимальной организации монтажных работ в целом.