Васильев А.А. - Металлические конструкции

Васильев А. А.
В 19 Металлические конструкции: Учеб. пособие для техникумов. — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Стройиздат, 1979. —472 с, ил.
Излагаются основы конструирования и расчета металлических конструкций, применяемых в промышленном и гражданском строительстве. Рассматриваются работа металла под нагрузкой, компоновка и расчет сечений элементов конструкций, узлов и деталей. Приводятся примеры конструирования и расчета, а также справочные материалы.
Книга предназначена в качестве учебного пособия для учащихся техникумов, специализирующихся по металлическим конструкциям.
Предисловие к третьему изданию
Книга содержит основы проектирования, конструирования и расчета строительных металлических конструкций. Основные разделы иллюстрированы примерами расчета и конструирования, в приложении даны необходимые справочные материалы.
При переиздании книги учтены последние нормативные и инструктивные материалы по металлическим конструкциям: ГОСТ, СНиП, СН, утвержденные типовые конструкции, а также достижения в области проектирования, изготовления и монтажа конструкций. В книгу не вошли изменения и дополнения к СНиП II.B.3—72, введенные после 1 января 1979 г. и касающиеся расчета сварных сооружений.
В книге применена внедряемая в нашей стране Международная система физических величин СИ. Для удобства расчетов выражение силы принято в килоньютонах (кН), а напряжений — в килоньютонах на квадратный сантиметр.
В отдельных случаях при использовании нормативных данных (давление колес стандартных кранов, величин нормативных нагрузок по действующим СНиП) применяются наименования как новых, так и старых единиц.
Краткие сведения о Международной системе физических величин СИ приведены в приложении V.
Глава I
ВВЕДЕНИЕ
§1. ОСНОВНЫЕ ДОСТОИНСТВА И НЕДОСТАТКИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ
Основные достоинства металлических конструкций:
1) высокая несущая способность. Металлические конструкции могут воспринимать значительные усилия при относительно небольших сечениях вследствие большой прочности металла;
2) высокая надежность. Благодаря однородности структуры металла и его упругим свойствам металлические конструкции можно рассчитывать наиболее точно, что позволяет обеспечить надежность работы проектируемого сооружения;
3) легкость и транспортабельность по сравнению с конструкциями из железобетона, камня и дерева. Высокие механические качества металла позволяют допустить в нем высокие напряжения, и по сравнению с сечениями из других материалов сечения металлических конструкций получаются более легкими при одних и тех же усилиях. Показателем конструкционных качеств материала может быть отношение его удельного веса к расчетному сопротивлению c=y/R (размерность 1/м);
4) сплошность материала и соединений, позволяющая осуществлять водонепроницаемые и газонепроницаемые конструкции;
5) индустриальность, достигаемая изготовлением конструкций на специализированных заводах и высокомеханизированным их монтажом на месте возведения сооружения.
Кроме того, металлические конструкции удобны в эксплуатации, так как легко могут быть усилены при увеличении нагрузок, наиболее полно используются при реконструкциях, легко ремонтируются.
Недостатками металлических конструкций являются:
1) подверженность стальных конструкций воздействию коррозии, что требует специальных мероприятий по защите;
2) малая огнестойкость. При температурах свыше 400° С для сталей и свыше 200° С для алюминиевых сплавов начинается ползучесть материала (существенное развитие пластических деформаций при постоянной нагрузке) .
§ 2. ПРИМЕНЕНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ В СОВРЕМЕННОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ
В 1977 г. в нашей стране было выплавлено 144 млн. т стали, из них на строительные металлические конструкции использовано около 7 млн. т. В строительстве применяются преимущественно конструкции из обычной углеродистой стали, из низколегированных сталей повышенной прочности и из алюминиевых сплавов.
Наиболее широко применяются металлические конструкции для:
1) производственных зданий. Современные производственные здания часто оборудуются очень тяжелыми мостовыми кранами, имеют большие пролеты, высоты и являются сложными инженерными сооружениями (рис. 1.1). В настоящее время на несущие элементы каркаса промышленных зданий (колонны, фермы, подкрановые балки) расходуется свыше 507о строительных металлоконструкций;
2) листовых конструкций, представляющих собой различные емкости, оболочки, кожухи, трубопроводы.
Металл в таких конструкциях является одним из эффективнейших материалов, гак как удовлетворяет требованию герметизации, предъявляемому к этим сооружениям. Листовые конструкции весьма металлоемки, и на них расходуется около 207о строительных металлоконструкций.
Листовые конструкции применяются в резервуарах для хранения жидкостей, в газгольдерах для хранения и распределения газов, в бункерах для хранения и перегрузки сыпучих материалов, в конструкциях доменных цехов (рис, 1.2)—кожухи печей, воздухонагреватели, пылеуловители и другие сооружения; в конструкциях предприятий химической и нефтяной промышленности—
Конструкции из алюминиевых сплавов вследствие дефицитности алюминия применяются еще мало. Стоимость 1 т готовых конструкций из алюминиевых сплавов примерно в 5—8 раз выше стоимости конструкций из стали. Однако легкость, прочность и коррозионная стойкость сплавов позволяет эффективно использовать их. Из алюминиевых сплавов изготовляют кровельные и ограждающие панели зданий, витражи остекления, листовые конструкции и трубопроводы для агрессивных жидкостей, большепролетные перекрытия и подвижные конструкции, для которых большое значение имеет снижение собственного веса, а также конструкции, возводимые в труднодоступных районах.
§ 3. КРАТКИЙ ИСТОРИЧЕСКИЙ ОБЗОР РАЗВИТИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ
Железо, являющееся базой для изготовления металлических конструкций, производилось в России до XVII в. в небольших количествах кустарным способом В 1698 г. указом Петра I был основан первый государственный металлургический завод в Невьянске, положивший начало промышленной металлургии.
К началу первой мировой войны в России выплавлялось 4,2 млн. т стали в год. За годы Советской власти производство стали интенсивно возрастало и в 1977 г. достигло 144 млн. т. Первые железные элементы для строительных конструкций в виде скреп-затяжек для восприятия распора каменных сводов начали применяться в XII—XIV вв. (Успенский собор во Владимире, XII в.).
В XVII в. появляются первые несущие железные конструкции в виде каркасов куполов (колокольня Ивана Великого в Москве, 1600 г.) и железных стропил (перекрытие Архангельского собора в Москве, наслонные стропила Кремлевского дворца, перекрытие над трапезной Троице-Сергиевского монастыря в Загорске).
В XVIII в. был освоен процесс литья чугуна для строительных целей и стали внедряться чугунные несущие конструкции. Первый чугунный мост в России был построен в 1784 г. в парке Царского Села под Петербургом, через 5 лет после сооружения первого в мире чугунного моста через р. Северн в Англии.
В XIX в. мостовые конструкции становятся ведущими среди других металлических конструкций. Развитие мостостроения в России связано с именами знаменитых инженеров и ученых, создавших металлические мосты оригинальной конструкции, значительно развивших теорию их расчета и оказавших большое влияние на дальнейшее развитие металлических конструкций.
Инж. С. В. Кербедз (1810—1899 гг.) построил первый в России железный мост через р. Лугу с пролетными строениями из сквозных ферм, мост через р. Неман со сплошными клепаными балками высотой 7 м, арочный железный мост в Москве.
Инж. Д. И. Журавский (1821—1891 гг.) возглавлял отдел проектирования мостов Петербурго-Московской железной дороги, разработал теорию расчета раскосных ферм н теорию скалывающих напряжений при изгибе.
Проф. Ф. С. Ясинский (1856—1899 гг.) внес большой вклад в развитие инженерных методов расчета на устойчивость металлических стержней, что в большой степени расширило дальнейшее применение металлических конструкций.
Проф. И. А. Белелюбский (1845—1922 гг.) создал метрический сортамент стали, развил работы по испытанию строительных сталей, составил первый курс строительной механики, улучшил конструктивную форму мостовых ферм, применив в них раскосную решетку. По его проектам построено много мостов, наиболее крупными из которых являются Сызранский мост через Волгу, состоящий из 13 пролетов длиной по 107 м, и мосты Сибирской магистрали.
Проф. Л. Д. Проскуряков (1858—1926 гг.) ввел современную треугольную решетку ферм, развил теорию о наивыгоднейшей конфигурации поясов.
В начале XIX в. в металлических конструкциях начинает применяться сварочное железо, а после появления конверторного и мартеновского производства — строительные стали.
В 40-х гг. прошлого века появился прокат в виде фасонного железа, двутавровых балок н листа, и постепенно металлические конструкции начинают приобретать современные формы. Для соединения элементов применяются заклепки.
В фабрично-заводском строительстве XIX в. металлические конструкции широко применяются для покрытий, В конце прошлого столетия появились мостовые краны, которые повлияли на конструктивную форму производственных зданий.
Первая мировая и гражданская войны приостановили развитие металлических конструкций. В апреле 1929 г. XVI партийной конференцией был принят первый пятилетний план развития народного хозяйства, которым намечались невиданные масштабы строительства.
Крупное строительство с применением различных металлических конструкций велось во все увеличивающихся объемах до начала Отечественной войны 1941—1945 гг. За это время сформировались основные принципы советской школы металлостроителей: создание экономичных по расходу стали конструктивных решений при одновременном снижении трудоемкости изготовления конструкций, а также упрощении и ускорении их монтажа.
В начале 30-х гг. для соединений металлических конструкций начала применяться сварка, которая к 40-м годам получила широкое распространение. Сварка резко продвинула развитие металлических конструкций: конструкции стали легче, снизилась трудоемкость изготовления, упростились соединения и конструктивная форма.
Большую роль металлические конструкции сыграли в Великую Отечественную войну, когда требовалось в кратчайший срок возводить сооружения в отдаленных районах при острой нехватке рабочей силы. Достоинства металлических конструкций проявились и в восстановительный период: выведенные из строя металлические конструкции ремонтировались наиболее легко и с наименьшими затратами; требовалось только 15—20% нового металла от массы восстанавливаемых конструкций.
В послевоенный период металлические конструкции получают дальнейшее развитие. В промышленных зданиях утверждается унифицированный шаг несущих конструкций, разрабатываются типовые проекты отдельных элементов конструкций и целых сооружений. Развивается теория металлических конструкций в области их расчета, оптимального конструирования, особенностей действительной работы Большой вклад в развитие этой теории внесли советские ученые и инженеры: почетный академик В. Г. Шухов-(1853—1939 гг.), создавший ряд оригинальных конструкций и руководивший первой специализированной организацией по проектированию металлических конструкций, проф. И. П. Прокофьев (1877—1958 гг.), акад. Е. О. Патон (1870—1953 гг.). Особая роль принадлежит проф. Н. С. Стрелецкому (1885—1967 гг.), выдвинувшему и разработав тему ряд фундаментальных идей по предельному состоянию конструкций, основам их расчета и проектирования. Проф. Н. С. Стрелецкий являлся создателем и руководителем советской школы проектирования металлических конструкций.
За эти годы выросли высококвалифицированные проектные и научно-исследовательские организации: ЦНИИПроектстальконструкция, ЦНИИ строитспьных конструкций имени В. А. Кучеренко, ЦНИИпромзданий, Гипромез, Промстройпроект, Гидростальпроект, ЦНИИ электросварки имени акад. Е. О. Патона, кафедры металлических конструкций строительных вузов и др.
Основными направлениями развития народного хозяйства СССР на 1976—1980 гг., утвержденными XXV съездом КПСС, предусмотрено расширить практику полносборного строительства и монтажа зданий н 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 применяют в большепролетных зданиях общественного назначения и в производственных зданиях. Все более широкое применение получают стали повышенной и высокой прочности, а также новые рациональные профили проката.
Увеличение и ускорение темпов строительства потребует в дальнейшем значительной реконструкции заводов металлоконструкций — введения автоматизированного производства, что, несомненно, отразится на развитии конструктивных форм металлических сооружений.
...