Мандриков А.П. - Примеры расчета металлических конструкций

Мандриков Л. П.
М23 Примеры расчета металлических конструкций: Учеб. пособие для техникумов. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Стройиздат, 1991. — 431 с: ил. ISBN 5-274-01327-9
Рассмотрено проектирование балочной клетки рабочей промплощадки, расчет настила, прокатных и составных сварных балок, подкрановой балки, центрально- и внецентренно сжатых колонн, стропильных ферм из уголковых профилей, тавров и двутавров, гнутосварных и бесшовных горячекатаных труб.
Изд. 1-е вышло в 1973 г. под назв.: Проектирование металлических конструкций. Примеры расчета и конструирования. Для учащихся техникумов, обучающихся по специальности «Строительство и эксплуатация зданий и сооружений»
ПРЕДИСЛОВИЕ
Металлические конструкции благодаря своим высоким технико-экономическим качествам применяются во всех отраслях народного хозяйства. Широкое использование в строительстве металлических конструкций позволяет проектировать сборные элементы зданий и сооружений сравнительно малой массы, организовывать поточное производство конструкций на заводах и поточно-блочный монтаж их на строительной площадке, ускорять ввод объектов в эксплуатацию.
Проектирование экономически эффективных металлических конструкций основывается на знании особенностей их работы под нагрузкой, правильном выборе конструктивных форм, использовании типовых и унифицированных решений и соответствующем расчете. При этом необходимо соблюдение «Технических правил по экономному расходованию основных строительных материалов» (ТП 101-81).
Техники-строители, специалисты по проектированию зданий и сооружений должны хорошо ориентироваться как в способах возведения объектов, так и в их расчете и конструировании, поэтому цель предлагаемого учебного пособия состоит в том, чтобы дать в сжатом виде основы современных методов расчета и конструирования металлических строительных конструкций.
В соответствии с утвержденной учебной программой для техников-строителей по специальности «Промышленное и гражданское строительство» в книгу включены широко используемые виды металлических конструкций -— балки, настилы, колонны, фермы, резервуары. Во втором издании учебного пособия нашли отражение рекомендации новой редакции СНиП 11-23-81*, СНиП 2.01.07—85, СНиП 2.03.06—85, включено описание эффективных конструктивных решений и даны примеры расчета стропильных ферм с элементами из широкополочных двутавров, тавров и гнутосварных профилей.
Материал книги изложен по главам. Главы разбиты на параграфы. Нумерация параграфов своя в каждой главе. Нумерация формул, таблиц и рисунков принята двойной: первая цифра указывает номер главы, вторая порядковый номер формулы, таблицы или рисунка.
В пособии применена Международная система единиц (СИ). Основные и дополнительные единицы системы установлены СТ СЭВ 1052—78 «Метрология. Единицы физических величин». Рекомендуем для обязательного применения «Перечень единиц физических величин, подлежащих применению в строительстве», устанавливающий необходимые в строительном проектировании и производстве строительно-монтажных работ единицы физических величин, а также наименования и обозначения этих величин. Перечень содержит определенные на основе практики проектирования и строительства производные единицы (кроме основных и дополнительных), образованные из основных и производных единиц СИ, имеющих специальные наименования.
Указанные в книге расчетные сопротивления металла и соединений, приведенные в МПа, подсчитаны умножением значений, данных в кгс/см^, на коэффициент 0,0980665 (или 0,0981) с округлением до 5 МПа.
Автор благодарит канд. техн. наук, доц. Б. Г. Бажанова (кафедра строительных конструкций и сооружений Университета Дружбы народов им. П. Лумумбы) за ценные замечания при рецензировании рукописи, а также техника Е. Д. Мандрикову за участие в оформлении текста и иллюстраций.
ВВЕДЕНИЕ
§ 1. ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ
Металлические конструкции широко применяют при возведении различных зданий и сооружений. Благодаря значительной прочности и плотности металла, эффективности соединений элементов, высокой степени индустриальности изготовления и монтажа, возможности сборности и разборности элементов металлические конструкции характеризуются сравнительно малым собственным весом, обладают газо- и водонепроницаемостью, обеспечивают скоростной монтаж зданий и сооружений и ускоряют ввод их в эксплуатацию. Основной недостаток стальных конструкций — подверженность коррозии — устраняется их окраской, покрытием полимерными материалами или смолами, оцинкованием и другими методами защиты.
Благодаря малой плотности и высокой коррозионной стойкости алюминиевых сплавов из них можно возводить легкие большепролетные покрытия зданий и павильонов, разводные мосты, шлюзы, стойки ЛЭП, различные ограждающие конструкции (стеновые панели, кровельный настил и др.), а также требующие достаточной плотности, непроницаемости и стойкости против коррозии объекты нефтехимической промышленности. При проектировании алюминиевых конструкций следует учитывать повышенную деформативность алюминиевого сплава (для которого модуль упругости Е = 71000 МПа, что почти в 3 раза меньше, чем для стали), а также его низкую огнестойкость (при t>100°С снижаются механические свойства сплава, а при t>200°С проявляется ползучесть).
В зависимости от вида конструкций и их сочетаний различают системы стержневые и сплошные. К стержневым системам, состоящим из балок, ферм и колонн, относятся: каркасы зданий и сооружений, мосты, покрытия зданий в виде ферм, арок или куполов; ангары, мачты и башни, нефтяные вышки, стойки ЛЭП, эстакады, краны и другие конструкции. К сплошным системам относятся различные виды листовых конструкций: газгольдеры, резервуары, бункеры, трубы и трубопроводы большого диаметра, специальные конструкции металлургических и нефтехимических заводов и т.д.
§ 2. КРАТКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ
При проектировании металлических конструкций необходимо соблюдать следующие требования:
указания технических правил по экономному расходованию основных строительных материалов;
выбирать оптимальные в технико-экономическом отношении конструктивные схемы зданий и сооружений,
а также сечения элементов;
максимально применять для зданий и сооружений унифицированные типовые или стандартные конструкции;
применять прогрессивные, высокотехнологические конструкции при изготовлении и на монтаже (пространственные системы из однотипных, стандартных элементов; комбинированные конструкции, которые совмещают в себе несущие и ограждающие функции; предварительно напряженные, вантовые и тонколистовые конструкции и комбинированные конструкции из стали двух марок и из тонкостенных прокатных, гнутых и гнутосварных профилей);
использовать конструкции, обеспечивающие наименьшую трудоемкость их изготовления, транспортирования и монтажа, позволяющие, как правило, поточное изготовление и их конвейерный или крупноблочный монтаж;
предусматривать применение заводских соединений прогрессивных типов, в том числе: автоматической и полуавтоматической сварки, фланцевых соединений на болтах, с фрезерованными торцами, на высокопрочных болтах и др.;
выполнять требования государственных стандартов, инструкций и технических условий на соответствующие конструкции, изделия и комплектующие детали.
Принятые конструктивные схемы зданий и сооружений должны обеспечивать прочность, устойчивость и пространственную неизменяемость как здания или сооружения в целом, так и их отдельных элементов при транспортировании, монтаже и эксплуатации. Марки сталей, сплавов и материалов соединений, а также дополнительные требования к ним, предусмотренные государственными стандартами и стандартами СЭВ или техническими условиями, указывают в рабочих и деталировочных чертежах, а также в документации на заказ материалов.
Проектирование металлических конструкций должно начинаться с выбора рациональных конструктивных форм, обеспечивающих экономию металла, минимум трудоемкости изготовления и скоростной монтаж. Этого добиваются, сравнивая проектные варианты, охватывающие не только оценку различных конструктивных схем здания или сооружения в целом, но и отдельных его частей, узлов и т. д.
Стоимость стальных конструкций распределяется следующим образом: стоимость профилей проката — 60— 65 %, заводское изготовление 16—22 %, стоимость монтажа 5—20 %, эксплуатационные расходы около 2 %.
Наиболее экономичной является обычно конструкция с наименьшим собственным весом, поэтому усилия проектировщиков и производственников направлены на создание новых и совершенствование существующих типов конструкций и изделий и меньшим расходом металла, на максимальную их унификацию и типизацию и повышение степени заводской готовности с учетом характеристик подъемно-транспортных средств.
Работы советских ученых, а также опыт технически развитых зарубежных стран указывают на значительные возможности повышения технико-экономических показателей металлических конструкций более широким внедрением в строительство конструкций из низколегированных и высокопрочных сталей с применением эффективных профилей проката. Так, например, массу металлического каркаса одноэтажного промышленного здания можно значительно снизить, применяя фермы из тонкостенных трубчатых, гнутых и гнутосварных профилей, тавров и широкополочных двутавров, кровельных покрытий из штампованного настила с утеплителем из пенопласта, колонны и подкрановые балки из высокопрочных сталей. Такие стальные конструкции в 6—7 раз легче сборных железобетонных, трудоемкость их изготовления на 30—40 % меньше, а стоимость почти на 30 % ниже.
Использование низколегированных сталей с пределом текучести 330—450 МПа при изготовлении колонн, ферм, подкрановых балок и других конструкций, резервуаров, газгольдеров, мостов и других сооружений обеспечивает не только повышение качества металлоконструкции, но и экономию металла в заменяемых частях по сравнению с обычной углеродистой сталью в среднем на 18 %. С увеличением пролетов и высоты сооружений, возрастанием технологических нагрузок эффективно применять стали высокой прочности с пределом текучести 600—750 МПа. Экономия металла в заменяемых частях в этом случае достигает в среднем 20—25 %. Особого внимания и более широкого внедрения заслуживают так называемые легкие металлические конструкции для покрытия зданий — трубчатые, крупноразмерные тонкостенные и др. По данным исследований ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко, при изготовлении стропильных ферм из трубчатых элементов достигается экономия стали 15—20 % в сравнении с фермами из обычных уголковых профилей той же марки стали, а если трубчатые элементы спроектировать из стали высокой прочности с пределом текучести 450—500 МПа, то расход стали сокращается на 35—40 %, трудоемкость — в 1,6 раза, а стоимость — почти на 20 %.
Не менее эффективно применение трубчатых элементов для опор линий электропередачи, радиотелевизионных башен и других сооружений. В последние годы для перекрытий больших пролетов применяют пространственно-стержневые металлические конструкции, называемые структурными конструкциями (или системами) (рис.1). Структурные системы — это сочетание квадратных (ортогональная сетка), треугольных или шестиугольных ячеек. Эффективно применение структурных конструкций и в промышленных зданиях (рис. 2 и 3).
К достоинствам структурных конструкций относятся: свободная расстановка опор и возможность перекрытия больших пролетов, небольшая высота и большая жесткость конструкций, малая деформация, легкость и быстрота монтажа, сравнительно низкий расход металла. К недостаткам — высокая трудоемкость изготовления узловых соединений стержней. Эффективность этих конструкций будет выше, если в заводских условиях будут выполнены не только отдельные стержни, но и целые блоки и звенья для крупноблочного монтажа.
Из других типов легких металлических конструкций следует отметить: тонкостенные прогоны — толщина стенки 3—3,5 мм (разработанные в ЦНИИПСК им. Мельникова), прогоны и балки с перфорированной стенкой, сквозные прогоны из трубчатых коробчатых и тонкостенных гнутых профилей, облегченные колонны постоянного сечения (рис.4). Необходимо иметь в виду, что наиболее эффективно проектировать легкие металлические конструкции в сочетании с назначением для покрытия и стен также легких конструкций: облегченных алюминиевых панелей, утеплителей из пенополистирола и других плотностью 50—100 кг/м^, при применении которых значительно снижаются нагрузки от их собственного веса.
§ 3. СТАДИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Для проектирования любого здания или сооружения необходимо иметь задание на проектирование, выдаваемое заказчиком с учетом требований проектной организации. В некоторых случаях такое задание они составляют совместно. В этом задании указываются назначение объекта, район строительства, сроки ввода, стадии проектирования и другие требования. В соответствии с нормами установлен следующий порядок составления проектной документации: в две стадии — технический проект и рабочие чертежи, в одну стадию — технорабочий проект (технический проект, включающий и рабочие чертежи).
В одну стадию проектируют сравнительно несложные объекты или ведут привязку типовых и повторно применяемых индивидуальных проектов. При двухстадийном проектировании путем сравнения выбирают наиболее экономичный в архитектурно-планировочном, конструктивном и технологическом решениях вариант; определяют номенклатуру изделий и конструкций, источники снабжения сырьем, энергией, водой, транспортные связи, канализационные сети и решают другие вопросы. Анализ решений завершают развернутой технико-экономической оценкой строительства: по стоимости на 1 м2 или 1 м3 здания или на 1 м конструкции, по трудоемкости изготовления, массе конструкций, срокам возведения и т. д.
Графическую часть технического проекта выполняют эскизно, но достаточно четко для пояснения рассматриваемых решений. Рабочие чертежи разрабатывают после утверждения технического проекта. Рабочие чертежи металлических конструкций выполняются проектной организацией на стадии КМ (конструкции металлические), включающей в себя подробные разработки компоновочных схем, конструктивных решений элементов и их сопряжений, а также спецификацию металла на все здание. Рабочие чертежи КМ не утверждаются, но по ним на заводах-изготовителях разрабатывают деталировочные чертежи — стадия КМД (конструкции металлические, деталировка).
Чертежи КМД выполняют на металлические конструкции, отправляемые после изготовления с заводов на объекты строительства, поэтому они содержат все необходимые размеры, спецификации и указания по изготовлению. Перед выполнением чертежей КМД на заводе тщательно изучают чертежи КМ; уточняют технологичность конструкций, членение их на отправочные элементы, порядок и методы изготовления, способы соединений, защиту от коррозии и методы контроля качества изготовления. При необходимости завод-изготовитель предъявляет заказчику для согласования дополнительные технические требования (ДТТ) на изготовление конструкций, выбор марок стали, профилей проката и т. д.
Разработка чертежей КМД — трудоемкий этап проекта, стоимость его включается в стоимость изготовления конструкций (15—20 %), поэтому проект КМ должен быть разработан так, чтобы на стадии КМД не вносить коррективы при изготовлении и монтаже конструкций.
...