Брудка - Легкие стальные конструкции
Брудка Я., Лубиньски М. Легкие стальные конструкции.
Изд. 2-е, доп. Пер. с польск. Под ред. С. С. Кармилова. М.,
Стройиздат, 1974, 342 с.
В книге подробно рассмотрены проблемы проектирования стальных элементов жилых зданий, промышленных цехов, складов и т. п. (перекрытий, кровельных покрытий, прогонов, стропильных ферм, сетчатых покрытий, несущих балок для опалубки, стен и перегородок). Приведены примеры применения конструкций, созданных в Польше и в других странах.
Книга предназначена для инженеров-проектировщиков и производственников, а также для студентов высших технических учебных заведений.
Табл. 28, ил. 302, список лит.: 232 назв.
ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА ПЕРЕВОДА
Предусмотренные Директивами XXIV съезда КПСС по пятилетнему плану развития народного хозяйства СССР на 1971—1975 гг. темпы роста капитального строительства обусловливают широкое внедрение индустриальных конструкций, в том числе металлических. В связи с этим особенно важно экономное расходование металла, что достигается применением конструкций из экономичных профилей, а также из сталей и сплавов повышенной и высокой прочности.
Одним из видов экономичных профилей являются тонкостенные, изготовленные путем холодной гибки листа на кромкозагибочных прессах или прокатных многовалковых станах. Изготовление профилей путем холодного деформирования металлического листа позволяет получить профиль такой конфигурации, которая обеспечивает более рациональное распределение металла по сечению, чем в горячекатаных профилях, что в свою очередь снижает массу элемента при сохранении его несущей способности.
Основная особенность легких металлических конструкций заключается в том, что они выполняются из тонкостенных профилей. Это обстоятельство заставляет исследователя, конструктора и изготовителя уделять большое внимание правильному методу определения несущей способности тонкостенных элементов легких конструкций, способам их соединения и антикоррозионной защите.
Советские исследователи внесли большой вклад в развитие теории расчета тонкостенных профилей — труды В. 3. Власова, А. А. Уманского, Н. И. Безухова, А. А. Гвоздева, А. А. Ильюшина и Д. В. Бычкова стали основным пособием для исследователей и конструкторов в нашей стране и за рубежом при разработке конструкций из тонкостенных профилей.
Вопросам теоретического и экспериментального исследования конструкций из тонкостенных стержней в упругой стадии посвящены работы Б. Н. Горбунова, А. И. Стрельбицкой, В. Г. Чудновского и др. Много работ выполнено отечественными исследователями по установлению несущей способности конструкций из тонкостенных стержней в стадии упругопластической работы металла. Большой вклад в изучение работы тонкостенных стержней в закритической стадии внесли А. В. Геммерлинг, А. А. Уманский и Г. Г. Голенко.
В последние годы вопросам разработки и экспериментально-теоретического анализа различных видов легких металлических конструкций, а также их поточного изготовления было посвящено много работ специалистов ЦНИИПроектстальконструкции.
Предлагаемая советскому читателю книга польских авторов Я. Брудки и М. Лубиньски посвящена вопросам применения в строительстве легких стальных конструкций. К одному из достоинств книги, в первую очередь, надо отнести четкое определение конструкций, которые классифицируются как легкие.
В книге приведено много иллюстраций. Рассмотренные примеры применения гнутых и тонкостенных профилей в конструкциях зданий, построенных в Западной Европе и в США, показывают большие возможности для проектировщиков в создании эффективных металлических конструкций.
Наибольшую ценность в книге представляют разделы 6 и 7. В разделе 6 изложена теория расчета тонкостенных стержней, предложенная и разработанная В. 3. Власовым. В разделе 7 освещены вопросы закритической работы тонкостенных стержней, разрабатываемых на основе экспериментальных работ американского исследователя Винтера. Большое количество примеров, приведенных в этих разделах, является ценным пособием для конструктора.
Вопросы антикоррозионной защиты тонкостенных конструкций освещены недостаточно подробно. Если вопросы анализа коррозионного поражения профилей и конструкции, изложенные на основании исследований советских ученых, описаны достаточно подробно и полно, то предлагаемые методы антикоррозионной защиты основываются на устаревших данных. Так, например, в качестве антикоррозионных покрытий предлагаются краски на основе пищевых масел. Достижения отечественной химической науки и промышленности в области создания синтетических смол дают возможность полностью отказаться в настоящее время от применения в производстве лакокрасочных материалов пищевых растительных масел.
Также недостаточно подробно, как это следовало бы сделать, освещены вопросы соединений профилей. Не нашли отражения в книге и вопросы поточного изготовления легких металлических конструкций, в то же время, как справедливо отмечают авторы,
такое изготовление значительно снижает себестоимость изделий. Приведенные в книге характеристики сталей и нормативные расчетные данные относятся только к польским нормам. Сравнение подобных материалов и расчетных характеристик, принятых в СССР, поможет читателям при изучении материала книги.
Рассмотренные в книге конструктивные решения часто излишне сложны и не учитывают возможности массового изготовления конструкций. Однако подробный анализ конструктивных решений будет полезен при проектировании конструкций. При редактировании русского перевода мы стремились максимально сохранить оригинальность изложения авторов.
Книга может быть использована в качестве вспомогательного материала при разработке легких металлических конструкций, а также как методический материал для преподавателей и студентов строительных вузов.
ПРЕДИСЛОВИЕ АВТОРОВ
Десятилетний период, истекший со времени подготовки первого издания книги, характеризовался широким развитием способов изготовления легких стальных конструкций как в области применения и технологии изготовления элементов, так и в области теоретических проблем, в частности систематизации основ проектирования. Полученные новые обширные сведения из отечественной и зарубежной литературы дали возможность авторам провести коренные изменения при группировке проблем и отобрать представленный материал. Вследствие этого расположение разделов второго издания отличается от первого издания книги, а ее содержание значительно изменено и расширено.
Наиболее быстрым развитием характеризовалась область легких стальных конструкций из труб круглого сечения. Проблемы, касающиеся этих конструкций, сталь предметом отдельной книги *. В данной книге проблема конструкций из круглых труб не затрагивается.
Подготовка второго издания происходила в то время, когда были начаты работы по модернизации основных норм проектирования стальных конструкций (PN-62/B- 03200). К коренным изменениям относится переход на расчет по методу предельных состояний вместо применявшегося до сих пор в стране метода допускаемых напряжений. Несмотря па интенсивно ведущиеся работы по изменению проект этих норм до момента передачи данной книги в печать не был еще настолько определенным, чтобы его можно было считать близким к окончательному. В руки проектировщика нормы попадут не раньше середины
Чтобы читатель понял, какие изменения песет с собой модернизация норм, нами даны два числовых примера F-10 и 6-13) к методу расчета по предельным состояниям. Основную информацию об этом методе можно найти в статье М. Лубиньски «Расчет конструкций по предельным состояниям», помещенной в книге «Современные стальные конструкции. Некоторые проблемы» (Институт строительной техники. Варшава, изд-во «Аркады», 1971).
Разделы 1,'2.1—2.3, 3, 5—7, 8.1—S.3, 9.1—9.4 написаны Я. Брудкой, разделы 2.4, 2.5. 4, 8.4, 8.5. 8.7, 8.8 и 9.5 — М. Лубнньски. В разработке книги принимал участие М Штейервальд — им же написан раздел 8.6. Варшава, 1970
* Брудка Я. Стальные трубчатые конструкции, Варшава, изд-во «Аркады», 1968.
Я. Брудка М. Лубиньски.
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
1.1. ВВЕДЕНИЕ
Технический прогресс в разного рода конструкциях выражается снижением их массы и стоимости изготовления или монтажа при сохранении прежней несущей способности и эксплуатационных качеств. Положительные результаты достигнуты благодаря внедрению новых материалов, хорошо работающих со сталью, и применению тонкостенных конструкций. Примеры решений из области строительства самолетов, кораблей, железнодорожного подвижного состава и автомобилей натолкнули на мысль о возможности частичного применения этих решений в строительных конструкциях. Так возник раздел, названный легкими стальными конструкциями.
Развитие технологии производства позволило изготовлять легкие стальные конструкции с коэффициентом запаса прочности, не меньшим, чем в конструкциях, применявшихся до сих пор. Легкие стальные конструкции отличаются от используемых до недавнего времени конструкций следующими основными характерными чертами: применением холодноформованных профилей из тонкого листового металла (толщиной от
Основные различия по сравнению с обычными конструкциями проявляются при использовании элементов из холодногнутых профилей, изготовляемых из тонкого листового металла (сокращенно называемых гнутыми профилями). Распространение конструкций из гнутых профилей зависит прежде всего от средств производства, которыми промышленность располагает в этой области. Страны, овладевшие современным производством и автоматизировавшие его, в настоящее время довольно широко применяют гнутые профили. Страны, в которых такого производства нет, вынуждены и сейчас во всех случаях применять горячекатаные профили.
Применение гнутых профилей из тонкого листового металла требует иного подхода к конструкции на всех стадиях ее создания: проектирования, изготовления и монтажа. Условия изготовления профилей и элементов из них оказывают гораздо большее влияние :на технико-экономические результаты, чем при использовании обычных конструкций. Если не учитывать эти условия, может получиться так, что решение, рациональное с точки зрения потребления материала, из-за стоимости конструкции будет нерентабельным. Меньше различий по сравнению с обычными конструкциями проявляется при исследовании элементов из горячекатаных профилей, которые имеют черты, признаваемые характерными для легких конструкций. Это главным образом элементы со стержнями трубчатого сечения и с тонкостенными перфорированными двутаврами.
1.2. ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ЛЕГКИХ СТАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
Наиболее подходящую область применения конструкций из гнутых профилей определяют исходя из конструктивных условий (изготовления, защиты от коррозии и т. п.), прочностных свойств и статических условий (величины пролета, нагрузки и т. п.), экономических показателей, эксплуатационных условий и эстетического восприятия.
Выделяют две основные области применения гнутых профилей: для архитектурно-строительных деталей; для несущих элементов конструкций с "малой либо со средней величиной пролета или для второстепенных элементов различных стальных конструкций.
К первой группе относятся дверные и оконные коробки, оконные переплеты, двери в промышленных и коммунальных зданиях, ворота промышленных зданий, горбыльки для остекления окон без замазки, элементы ограждающих стен, передвижные перегородки внутри промышленных и коммунальных помещений, лестницы, аэрационные фонари, крепления лифтовых шахт, эстакады, стеллажи и другие подобные элементы.
Ко второй группе относятся: конструкции, изготовляемые целиком из гнутых профилей; элементы конструкций, выполняемые как из обычных стальных конструкций, так и целиком из гнутых профилей; элементы с комплексной конструкцией (например, сталь с бетоном, деревом, синтетическими материалами).
Конструкции первой группы, как правило, изготовляются для следующих элементов:
покрытий пролетами до 6 ж и с малыми высотами в каркасных одно-и двухэтажных жилищных и сельскохозяйственных зданиях; покрытий пролетом 9—18 м (реже до
Такие конструкции используют для жилых домов, складских, производственных цехов, школ, сельскохозяйственных и коммунальных построек, зданий технической базы стройки, оранжерей, навесов, ангаров, выставочных павильонов, всевозможных временных и переносных сооружений, лесов, силосных башен, резервуаров и т. п. Ко второй группе элементов, изготовляемых из обычных стальных конструкций, прежде всего относятся: фермы перекрытия пролетами 9—18 м;
покрытия пролетами до 6 ж в жилых и общественных зданиях или складах при полезных нагрузках 150—600 кгс/м2;
кровельные панели и прогоны в однопролетных одноэтажных промышленных зданиях;
окна и фонари;
промышленные эстакады и полотно проезжей части мостов (обычно в виде ортотропных плит);
связи и фахверковые стены промышленных зданий;
шпунтовые ограждения;
элементы передвижной опалубки для сооружения перекрытий и стен.
Особую группу образуют элементы смешанных конструкций, в которых гнутый профиль сочетается с прокатным стальным профилем или другим материалом. До сих пор чаще всего применялись смешанные элементы, в которых сочетались сталь и бетон. Развитие техники склейки сделало возможным использование также синтетических материалов и материалов на основе древесины. В то же время применение гнутых профилей из тонкого листового металла и прокатных профилей в одном элементе достаточно редкое явление (в линиях электропередачи, мачтах и опорах 'контактной сети, мостах, перекрытиях, элементах подъемников или монтажного оборудования и лесах).
Тонкостенные элементы могут выполнять двоякую роль (например, кровли и оболочки) 'или служить обшивкой перегородки и поясом балки.
Гнутые профили особенно удобны для разборных конструкций. Из прокатных профилей чаще всего изготовляются следующие элементы конструкций: решетчатые прогоны пролетом 6—12 м; стропильные фермы или сплошные балки пролетом 9—30 м; решетчатые балки перекрытий, работающие с бетоном; перфорированные .балки и опоры;
шпренгельные фермы; складчатые, сетчатые и двухслойные системы, работающие с синтетическими материалами или материалами на основе древесины.
1.3. ДОСТОИНСТВА И НЕДОСТАТКИ ЛЕГКИХ СТАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
Легкие конструкции имеют ряд достоинств и недостатков по сравнению с аналогичными стальными конструкциями (в дальнейшем называемыми обычными конструкциями), характерных для повсеместно применяемых решений.
Преимущества легких стальных конструкций:
уменьшение расхода стали на 25—50%- Теоретически возможное снижение массы более чем на 50% (это не всегда удовлетворяет требованиям, предъявляемым к оптимальной конструкции, ввиду слишком высокой ее стоимости и трудоемкости изготовления);
сокращение времени монтажа конструкции, например покрытий, до 30%- В системах с унифицированными стержнями и монтажными узлами, например в структурных покрытиях, оно доходит до 60%;
общая экономия затрат на строительство составляет 10—25%;
свободное формирование материала по сечению стержня;
хорошие прочностные характеристики (показатели прочности и радиусы инерции) по отношению к площади сечения, в частности в случае применения замкнутых профилей;
красивый внешний вид и незначительное затенение остекленных поверхностей в случае применения элементов из гнутых профилей замкнутого сечения или из прокатных профилей. Этого достоинства не имеют легкие стальные конструкции из гнутых профилей открытого сечения.
Недостатки легких стальных конструкций:
стоимость гнутых профилей выше стоимости прокатных .профилей;
стоимость изготовления 1 т легких конструкций выше, чем стоимость 1 т обычных конструкций (эта стоимость значительно снижается при серийном производстве);
более высокая стоимость защиты от коррозии, так как поверхность профиля обычно больше и вследствие этого необходимо применять покрытия, более устойчивые к воздействию агрессивной среды;
транспортирование, погрузка-разгрузка и монтаж требуют более осторожного проведения этих операций, поскольку легкие элементы, особенно из тонкого листового металла, повреждаются;
проектирование легких конструкций более трудоемко, так как работа их на. устойчивость сложна. Имеется возможность большой свободы выбора геометрической формы сечения профиля, но нет готовых расчетных таблиц. Стандартизация элементов значительно снижает расходы на проектирование.
Следует заметить, что достигнуть значительного уменьшения массы конструкций или сокращения времени их монтажа с одновременным снижением затрат не так-то просто. Об эффективности конструкции необходимо заботиться на всех стадиях ее создания.
...