Главная » Литература » Стальные конструкции » Муханов К. К. - Металлические конструкции

Муханов К. К. - Металлические конструкции




К. К. МУХАНОВ д-р техн. наук, проф.

МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ

Издание 3-е, исправленное и дополненное

МОСКВА

СТРОЙИЗДАТ

1973

Допущено Министерством высшего и среднего специального образования СССР в качестве учебника для студентов строительных специальностей высших учебных заведений, кроме специальности «Промышленное и гражданское строительство»

 

 

УДК 624.014(075.8)

Рецензент — кафедра строительных конструкций Московского ордена Ленина и ордена Трудового Красного Знамени института инженеров железнодорожного транспорта (зав. кафедрой д-р техн. наук, проф. С. С. Давыдов).

Муханов К. К. Металлические конструкции. Учебник для вузов. Изд. 3-е, испр. и доп. M. Стройиздат, 1978. 572 с.

Изложены основы проектирования и расчета металлических конструкций (стальных и алюминиевых), применяемых в промышленном и гражданском строительстве.

Книга является учебником для студентов строительных специальностей высших учебных заведений, кроме специальности «Промышленное и гражданское строительство», а также может служить пособием при проектировании.

Табл. 96, ил. 287, список лит. 72 назв.

М  647(01)—78 75~78    © Стройиздат, 1978

 

ПРЕДИСЛОВИЕ

В учебнике рассмотрены методы проектирования и расчета строительных металлических конструкций (стальных и алюминиевых).

В первых двух главах изложены основы проектирования и теория расчета металлических конструкций с учетом работы материала в упругой и в упругопластической стадиях. В гл. III—V приведены характеристики профилей сортамента и способы соединений элементов конструкций, действительная работа и расчет соединений, а также некоторые производственные требования, предъявляемые к проектированию конструкций; главы VI—VIII посвящены изучению основных элементов металлических конструкций: балок, ферм и колонн, в эти главы включены сведения ъ подкрановых балках и внецентренно сжатых (рамных) колоннах.

Проектированию металлических сооружений, главным образом на примерах промышленных зданий и некоторых специальных большепролетных и высотных сооружений, посвящены гл. IX и X. В последней главе рассмотрены основы проектирования листовых конструкций.

Приводимые в книге сведения и рекомендации основаны на общих строительных нормах и правилах: «Строительные конструкции и основания. Основные положения проектирования» (СНиП II-А.10-71); «Стальные конструкции» (СНиП II-В.3-72); «Алюминиевые конструкции» (СНиП II-24-74); «Нагрузки и воздействия» (СНиП II-6-74); «Металлические конструкции. Правила изготовления, монтажа и приемки» (СНиП III-18-75).

Глава I

ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Металлические конструкции широко применяются в различных видах зданий и сооружений. Конструктивная форма сооружения определяется сочетанием его основных элементов — балок, ферм, колонн и оболочек, связанных в единое целое. Выбор наилучшей конструктивной формы сооружения и его элементов производится при проектировании, которое представляет Особой творческий процесс, допускающий многообразие решений. Конструктор обязан в каждом отдельном случае найти наиболее удачное и рациональное решение, соответствующее современному уровню развития науки и техники.

§ 1. ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ И НОМЕНКЛАТУРА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ

Металлические конструкции применяются в сооружениях в виде стержневых или сплошных систем.

К стержневым системам, основными элементами которых   являются балки, фермы и колонны,    относятся:

1)   каркасы промышленных зданий и сооружений (преимущественно цехов металлургических и машиностроительных заводов) с подкрановыми балками, площадками и т. п. (рис. 1,1, а—г);

2)   железнодорожные, шоссейные и городские мосты больших пролетов;

3)   гражданские высотные здания, выставочные павильоны, различные покрытия и перекрытия, купола и т. п.;

4)   здания специального назначения — ангары, судостроительные эллинги и т. п.;

5) мачты и башни   для   радиосвязи   и   телевидения  (рис. 1.2), надшахтные копры, нефтяные вышки, гидротехнические сооружения, эстакады, краны и т. п.

Сплошные системы — оболочки (листовые конструкции) — применяются в газгольдерах для хранения и распределения газов; резервуарах для хранения жидкостей; бункерах для хранения и перегрузки сыпучих тел;    специальных   конструкциях — доменных    печах (рис. 1.3), воздухонагревателях, газоочистках и т. п.; трубах и трубопроводах большого диаметра, применяемых на металлургических и коксохимических заводах, гидроэлектростанциях,   нефте- и   газопроводах   и т. д.

Конструкции из алюминиевых сплавов благодаря их малому удельному весу и высокой стойкости против коррозии нашли применение в первую очередь в ограждающих конструкциях промышленных и гражданских зданий в виде кровельного настила, стеновых панелей, оконных переплетов и др., а также в объектах химической и нефтяной промышленности.

Алюминиевые конструкции находят применение в сооружениях, где требуется малый собственный вес (краны-перегружатели, разводные мосты, большепролетные покрытия павильонов, конструкции, возводимые в   труднодоступных и сейсмических   районах, и т. п.).

§ 2. ДОСТОИНСТВА И НЕДОСТАТКИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ

Основные достоинства стальных конструкций:

1)   высокая несущая способность материала при различных видах напряженного состояния (растяжении, сжатии, изгибе и др.), обеспечивающая восприятие значительных нагрузок при относительно небольших размерах сечений элементов, поэтому конструкции из стали, несмотря на ее большую плотность (р=7850 кг/м3), легче конструкций из других материалов, а также более удобны для перевозки;

2)   надежность работы конструкций, определяемая относительно высокой однородностью механических свойств стали;

3)   газо- и водонепроницаемость, обусловленная большой плотностью стали;

4)   индустриальность, достигаемая изготовлением конструкций в заводских условиях и механизированным их монтажом на месте возведения сооружения, что ускоряет ввод сооружения в эксплуатацию;

5)   разборность и легкая заменяемость стальных конструкций, благодаря которым облегчается усиление или смена частей сооружения;

6)   возможность использования материала конструкций, отслуживших свой срок.

Основной недостаток стальных конструкций— подверженность коррозии, в связи с чем требуется их покраска или другие методы защиты.

Достоинство алюминиевых сплавов — малая плотность (р = 2700 кг/м3) при относительно высокой прочности, а также высокая стойкость против коррозии,

К недостаткам алюминиевых конструкций следует отнести относительно низкий нормальный модуль упругости сплавов (£ = 7100 кН/см2), определяющий повышенную деформативность этих конструкций; низкую огнестойкость: при температуре выше 100° С ухудшаются механические свойства сплава, а при температуре выше 200° С начинается ползучесть.

§ 3. КРАТКИЙ ИСТОРИЧЕСКИЙ ОЧЕРК РАЗВИТИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ

Металл в строительстве применялся с давних времен. Первыми металлическими конструкциями в нашей стране, по-видимому, были железные стропила наслонного типа, перекрывающие старый Кремлевский дворец в Москве (XVII в.). В 1725 г. несущие чугунные конструкции впервые были применены для покрытия пролетом 12 м башни на Невьянском заводе (Урал). Позднее чугун, хорошо сопротивляющийся сжатию, нашел применение для конструкций арочного типа и колонн. Первые мосты через Неву в Петербурге были чугунными. В 1840 г. был сооружен купол Исаакиевского собора из чугуна. Применение железных стропил в покрытиях сдерживалось дороговизной получения пудлингового железа, поэтому в покрытиях большей частью приценялись    комбинированные деревожелезные конструкции.

В начале XIX в. после освоения паровой машину начали развиваться машиностроение и транспорт, потребовавшие большого количества металла. Строились заводы с новой технологией производства, что вызвало некоторое увеличение пролетов зданий с кирпичными стенами. Для перекрытий создавались фермы из сварочного железа, дорогого в производстве. Развитие железнодорожного транспорта и судостроения требовало дешевого и рационального метода получения металла. Таким новым методом стал способ получения литой стали в мартеновских печах (1866 г.), способствующий развитию прокатного дела, получению стального листа, рельсов и различных профилей. На юге России в 70-х гг.

XIX в. был построен ряд металлургических заводов с многопролетными сталеплавильными и прокатными цехами, в которых фермы опирались на стальные колонны.

В течение XIX в. значительное развитие получило мостостроение. Строительство больших мостов требовало разработки теории расчетов сооружений, в которую наши ученые и инженеры внесли   существенный вклад.

В 1856 г. Д. И. Журавский (1822—1891 гг.) разработал теорию расчета раскосных ферм и первый указал на существование скалывающих напряжений при изгибе. Проф. Ф. С. Ясинский (1856—-1899 гг.) значительно развил методику расчета сжатых элементов стальных мостовых конструкций и впервые разработал пространственные складчатые конструкции для перекрытий железнодорожных мастерских в Петербурге.

В развитии мостостроения велика роль таких виднейших ученых и инженеров, как проф. Н. А. Белелюбский (1845—1922 гг.), проф. Л. Д. Проскуряков (1858— 1926 гг.), акад. Е. О. Патон (1870—1953 гг.), проф. И. П. Прокофьев (1877—1958 гг.), проф. Н. С. Стрелецкий (1885—1967 гг.) и др. Ими созданы прекрасные мосты оригинальной конструкции, развита теория расчета мостов, создана    русская    школа   мостостроения.

В конце XIX в. металлические конструкции промышленных зданий получают дальнейшее развитие в связи с появлением электрических мостовых кранов, потребовавших специальных путей — подкрановых балок. При строительстве цехов начинают применять цельнометаллические каркасы. Оригинальные и разнообразные стальные    сооружения    создал в конце XIX — начале

XX            в. почетный академик В. Г. Шухов. (1853—1939 гг.).

Им построены десятки различных сооружений общественного и специального назначения. Особенно интересны арочные перекрытия торговых рядов ГУМа в Москве, перекрытие Киевского вокзала и пространственные конструкции в виде гиперболоидов, образованных из прямолинейных элементов.

После Октябрьской революции, в период восстановления народного хозяйства, в промышленном строительстве преобладают схемы конструкций с большим числом шарниров (западноевропейская школа), обеспечивающие неизменяемость системы, но с минимальным числом лишних неизвестных. В этих схемах, экономичных по расходу металла, не учитывались требования минимальной   трудоемкости    изготовления и монтажа.

Перелом в развитии конструктивной формы сооружений с преимущественным применением стальных конструкций произошел в годы первых пятилеток. Масштабы и темпы строительства потребовали не только создания сооружений, экономичных по расходу металла и относительно малотрудоемких в изготовлений и монтаже, но и отвечающих возросшим требованиям эксплуатации производства. Началось освоение и широкое' применение нового вида соединения стальных конструкций — электросварки. Возросла техническая оснащенность производств, особенно в черной металлургии и машиностроении, связанная с резким увеличением грузоподъемности кранов. Повысились эксплуатационные требования к конструкциям зданий. Все это привело к строительству цехов с жесткими каркасами рамного типа (см. рис. 1.1, б).

Создание новых, более жестких схем сооружений, лучше учитывающих эксплуатационные требования производства и экономичных по расходу металла, с учетом требований технологии изготовления и монтажа характеризует советскую школу проектирования стальных конструкций. В создании и развитии этой школы участвовали коллективы проектных, научных и исследовательских организаций; среди них — ЦНИИПроектстальконструкция,     Промстройцроект,    Гипромез, ЦНИИСК им. В, А. Кучеренко, МИСИ им. В. В. Куйбышева, НИИ электросварки им. Е. О. Патона и др. [30].

За годы первых пятилеток производство стальных конструкций увеличилось в несколько раз — от 200 тыс. до 1 млн. т. в предвоенный год. К 1970 г. производство металлоконструкций достигло почти 4 млн. т. Всевозрастающим объемам строительства способствовали унификация конструкций промышленных сооружений с 3-метровьш модулем и разработка на этой основе типовых балок и ферм.

Области применения металлоконструкций в послевоенный период значительно расширялись. В связи с ростом нефтяной, газовой и металлургической промышленности получили большое развитие листовые конструкции — резервуары,   газгольдеры, доменные цехи.   При этом строительство резервуаров и газгольдеров было переведено на индустриальный метод изготовления —сварку листов в полотнища с последующей транспортировкой в виде свернутых рулонов.

Большое развитие получило строительство сооружений связи, телевизионных башен, радиомачт, вращающихся телескопов диаметром более 60 м, мачт линий электропередачи (ЛЭП), электростанций и других сооружений.

Основными направлениями развития народного хозяйства СССР на 1976—1980 гг., утвержденными XXV съездом КПСС, предусмотрено расширить практику полносборного строительства и монтажа зданий и сооружений из прогрессивных конструкций, увеличить заводское изготовление стальных строительных конструкций в 1,4—1,5 раза, шире применять изделия из алюминиевых сплавов.

В последние годы металл находит применение в большепролетных зданиях общественного назначения (спортзалы и спортивные сооружения, выставочные павильоны, театры) и производственных зданиях (ангары, авиасборочные цехи, судостроительные эллинги, специальные лаборатории и т. п.). В большепролетных зданиях применяются висячие, арочные, купольные и пространственные конструкции.

Все более широкое применение получают стали повышенной и высокой прочности и новые рациональные профили проката.

Увеличение и ускорение темпов строительства потребует в дальнейшем значительной реконструкции заводов металлоконструкций — введения автоматизированного производства, что должно отразиться на развитии  конструктивных  форм  металлических сооружений.

§ 4. ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К МЕТАЛЛИЧЕСКИМ КОНСТРУКЦИЯМ

Металлические конструкции должны удовлетворять эксплуатационным требованиям в зависимости от назначения сооружения; обладать необходимой несущей способностью, т. е. прочностью и устойчивостью; иметь необходимую жесткость.

При разработке новых конструкций руководствуются следующими принципами: создание конструкций наименьшей массы и наименьшей трудоемкости, монтаж конструкций в кратчайший срок.

Уменьшение расхода и стоимости металла достигается применением наиболее рациональных конструктивных схем, сечений элементов и марок сталей и алюминиевых сплавов.

Для снижения трудоемкости конструкций и ускорения их монтажа необходимо учесть в проектном решении требования и возможности наиболее производительных методов изготовления и монтажа конструкций, обеспечить удобство и простоту выполнения производственных операций, шире использовать унифицированные и стандартные элементы и узлы.

Сооружение в целом и его несущие конструкции должны    удовлетворять и эстетическим    требованиям.

Проектирование зданий и сооружений производится в две стадии:   проектное   задание и рабочие   чертежи.

В проектном задании устанавливаются техническая возможность и экономическая целесообразность предполагаемого строительства.

Рабочий проект металлических конструкций состоит из двух частей: рабочих чертежей КМ (конструкции металлические) и рабочих деталировочных чертежей КМД (конструкции металлические, деталировка). На стадии КМ назначается схема сооружения, производится полный расчет конструкций и подбор сечений всех элементов, выполняются общие чертежи и конструкции сложных узлов, а также согласование конструктивного решения с другими частями проекта: технологической, транспортной, энергетической, санитарной, архитектурно-строительной и др., составляется спецификация на металл. На основе проекта стадии КМ конструкторские бюро заводов-изготовителей разрабатывают рабочие чертежи КМД для отдельных элементов конструкций, отправляемых в готовом виде с заводов (отправочные элементы), а также монтажные схемы с соответствующей маркировкой отправочных элементов.

 

§ 5. МЕТОДЫ   РАСЧЕТА  МЕТАЛЛИЧЕСКИХ  КОНСТРУКЦИЙ

1. Общие указания  по расчету

Процесс проектирования начинается с составления и сравнения различных вариантов схем сооружений, соответствующих эксплуатационному  назначению. После этого выбирается конструктивная схема, удовлетворяющая всем требованиям, предъявляемым к металлическим конструкциям.

Цель и назначение расчета конструкций — проверка прочности, устойчивости и жесткости предварительно намеченной конструктивной схемы сооружения, позволяющая уточнить размеры и обеспечить надежность сооружения при наименьших затратах металла.

Расчет сооружений и их конструктивных элементов производится на основе методов сопротивления материалов и строительной механики. Основной целью этих методов является определение внутренних усилий, которые возникают в конструкциях под действием приложенных нагрузок.

Расчет начинают с составления расчетной схемы сооружения, временно отвлекаясь от действительной формы сечения элементов. Опорные закрепления элементов наделяют при этом некоторыми теоретическими свойствами (шарнирные опоры, опоры с упругим и жестким защемлением и т. п.). Определив по принятой расчетной схеме усилия в элементах, производят подбор сечений, проверяют несущую способность и конструируют закрепления так, чтобы удовлетворить поставленным условиям. Иногда бывают необходимы более точные методы определения напряжений с учетом развития пластических деформаций. Однако математическая сложность этих методов вынуждает часто применять в формулах ряд коэффициентов, значения которых приводятся в таблицах.

Расчет строительных стальных конструкций ведется по предельным состояниям. Методика предельных состояний разработана советскими учеными во главе с проф. Н. С. Стрелецким. Основы этой методики изложены в главе СНиП II-А.10-71 «Основные положения проектирования», которая является общей для конструкций и оснований   всех видов   зданий и сооружений.

Основным руководящим документом при проектировании стальных строительных конструкций является глава СНиП II-В.3-72 «Стальные конструкции. Нормы проектирования».

Для ряда специальных сооружений, (мостов, гидротехнических сооружений, доменных цехов и др.) имеются специальные нормы и инструкции по проектированию,   отражающие специфические   условия их работы.

...


Архивариус Бизнес-планы Типовые серии Норм. документы Литература Технол. карты Программы Серии в DWG, XLS