Горев - Элементы конструкций. Том 1
.jpg)
ПРЕДИСЛОВИЕ
Учебный материал, представленный в трех томах содержит сведения, необходимые студенту для формирования знаний в области металлических конструкций, которые он получает в рамках основных и элективных дисциплин, а также при выполнении курсовых и дипломных проектов Это позволяет вузам распределять материал в соответствии с федеральной программой курса металлических конструкций, но с учетом региональных особенностей Главной функциональной задачей несущих металлических конструкций является передача силовых потоков от мест приложения нагрузок и воздействий на фундаменты В соответствии с объективными законами механики силовой поток, устремляясь к фундаментам, последовательно проходит по множеству конструктивных элементов Переходя с одного элемента на другой, нагрузки и воздействия принимают форму нормальных и поперечных сил, изгибающих и крутящих моментов, бимоментов и др.
Задача конструктора состоит в том, чтобы при соблюдении технологических и иных требований к объекту проектирования создать конструктивную схему с подбором параметров элементов и узловых соединений, обеспечивающую простой и надежный путь для передачи силовых потоков При этом каждый конструктивный элемент, конструкция и сооружение в целом должны удовлетворять комплексу условий прочности, устойчивости, жесткости, долговечности, ремонтопригодности и многим другим В сочетании с экономическими ограничениями названные условия труднореализуемы.
Сложность проектирования состоит в том, что база знаний и нормативная база о силовом сопротивлении конструкций построена не на принципах их синтеза, а на принципах поверочных расчетов элементов с фиксированными геометрическими параметрами и с идеализированными схемами работы, свойствами материала, условиями загружения.
Особенность проблемы состоит в том, что формирование расчетной модели с решением вопросов о необходимости учета тех или иных факторов приходится делать дважды первый раз, когда составляются расчетные формулы и положения норм проектирования, а второй раз, когда конструктор применяет эти формулы при расчете реальных конструкций. Совершенно очевидно, что конструктор может принять обоснованное решение только в том случае, когда он знает, что учитывали и чем пренебрегали при разработке нормативных документов Иными словами, грамотный расчет конструкций невозможен без знаний теоретических основ построения расчетных положений. Вот почему подобным вопросам в учебнике уделено серьезное внимание.
Вторая особенность учебника определена стрем пением максимально упростить расчетные приемы при сохранении требуемой надежности конструкций. Не секрет, что действующие нормы проектирования перегружены сложными формулами и таблицами с готовыми рецептами, понять и осознать смысл которых не могут даже опытные проектировщики К усложнению расчетных положений привело стремление к дополнительной экономии стали с учетом возможностей компьютерной технологии проектирования.
В результате появился документ, сложный для ручного счета и мало эффективный для машинного Последнее связано с тем, что расчетные данные для машинного счета приведены не в форме исходных программ, а в виде приближенных промежуточных результатов Часто экономия стали за счет усложнения расчетных формул оказывается призрачной, поэтому следует ориентироваться на масштабы внедрения. При проектировании типовых и других массовых конструкций применение сложных формул, способствующих снижению металлоемкости, является оправданным. В рядовых случаях лучше опираться на простые и понятные приемы. Такие приемы и формулы с ясной структурой приобретают важное значение в познавательном смысле, поэтому особенно полезны в учебной литературе.
Третья особенность заключается в теоретическом обосновании основных расчетных положений, которые по тем или иным причинам могли быть не известны читателю. Наиболее трудные из них набраны петитом (мелким шрифтом), они рассчитаны на любознательных студентов и аспирантов. Петит использован также для решения противоположной задачи: для напоминания необходимых, но забытых сведений, а также для пояснения приемов практического использования изложенного материала с решением численных примеров.
Первый том состоит из восьми глав.
В первой главе приведены общие сведения о металлических конструкциях, дана краткая история их развития, отмечены области применения, указаны преимущества и недостатки, приведена классификация конструкций по разным признакам.
Во второй главе дана общая характеристика сталей и алюминиевых сплавов с описанием их структуры и служебных свойств. Приведена классификация строительных сталей и сплавов по различным признакам с указанием факторов, влияющих на выбор материала для конкретных условий работы. Рассмотрено влияние основных факторов на свойства стали и особенности ее работы под нагрузкой. Дан сортамент профилей из стали и алюминиевых сплавов.
Третья глава содержит сведения по общим расчетным положениям. Изложены основы расчета конструкций по предельным состояниям. Приведены теоретические предпосылки для оценки силового сопротивления элементов металлических конструкций.
В четвертой главе рассмотрены вопросы работы, расчета и конструирования сварных, болтовых и комбинированных соединений. Приведены необходимые рекомендации по выбору материалов для соединений и конструктивные требования к ним. Даны примеры расчета различных соединений. Указаны особенности соединений в конструкциях из алюминиевых сплавов.
В пятой главе представлена классификация балок: общие положения расчета изгибаемых элементов в упругой и упруго-пластической стадиях работы материала; алгоритмы подбора сечений и проверок составных балок. Рассмотрены приемы конструирования и расчета балок бистальных, замкнутого сечения, с перфорированными, гибкими и гофрированными стенками. Представлены узлы и детали балочных конструкций. Для всех типов балок даны численные примеры их расчетов.
В шестой главе изложены вопросы прочности растянутых и сжатых элементов, указаны условия для расчета конструкций с учетом развития пластических деформаций и даны приемы такого расчета. При изложении вопросов устойчивости детально рассмотрены механизмы ее потери при центральном и внецентренном сжатии, в том числе с учетом влияния деформаций сдвига. Теоретические положения доведены до уровня инженерных расчетов и конструктивных требований с численными примерами. Подробно представлены конструкции колонн, их узлы и детали.
Седьмая глава посвящена проектированию ферм. Рассмотрены вопросы компоновки и расчета ферм. Подбор сечений элементов ферм сопровождается отдельными примерами, расчет узлов проиллюстрирован на сквозном примере. Представлены конструкции легких ферм из одиночных и парных уголков, ферм с поясами из широкополочных тавров и двутавров, ферм из круглых труб и гнутосварных замкнутых профилей.
В восьмой главе представлены настилы, в том числе из плоского или рифленого стального листа, железобетона в сочетании со стальным профилированным настилом и сталежелезобетона. Рассмотрены технологические площадки с классификацией, описанием конструктивных решений и приемов расчета балочной клетки, лестниц, переходных площадок.
В настоящее время подготовлены, но не введены в действие проект новых норм (СНиП 53-01-96) и «Общие правила проектирования элементов стальных конструкций и соединений» (СН 53-101-96). Когда в тексте говорится о проекте норм и о проекте правил, то имеются в виду именно эти два источника.
Главы 1, 6, П.3.1...3.4 написаны чл.-корр. РААСН, д-ром техн. наук, проф. В.В. Горевым; гл. 2 - чл.-корр. РАН, д-ром техн. наук, проф. В.В. Филипповым; П.3.5...3.7 - д-ром техн. наук, проф. Г.И. Белым; гл. 4 - канд. техн. наук, доц. В.Ф. Сабуровым; п.5.1, 5.2, 5.7...5.9 - акад. РААСН, д-ром техн. наук, проф. Я.И. Ольковым; п. 5.3...5.6 - чл.-корр. РААСН, д-ром техн. наук, проф. Л.В. Енджиевским; гл. 7 - канд. техн. наук, проф. Б.Ю. Уваровым; гл. 8 - канд. техн. наук, проф. И.И. Крыловым и канд. техн. наук, доц. В.М. Путилиным; дополнения к главам 2 и 4 в части алюминиевых конструкций - канд. техн. наук, доц. А.С. Щегловым.
Авторы выражают глубокую благодарность чл.-корр. РААСН, д-ру техн. наук, проф. А. М. Болдыреву и сотрудникам кафедры «Металлические конструкции и сварка в строительстве» Воронежской государственной архитекту'рно-строительной академии, д-ру техн. наук, проф. Ю. И. Кудишину, принявшим участие в рецензировании книги. Авторы будут благодарны
также читателям, которые сочтут возможным высказать свои замечания и пожелания по содержанию учебника.
Авторы
Глава 1
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ
1.1. Краткий исторический очерк развития металлических конструкций
Металл в строительстве стали применять еще в XII в., выполняя из него затяжки и скрепы для каменной кладки. Позднее появились стержневые купольные конструкции глав церквей. Как самостоятельные конструкции для мостов и перекрытий, металлические конструкции начали использовать во второй половине XVIII в. на Уральских и Тульских заводах в России, на юго-западе Англии, во Франции и Германии.
В эту эпоху главенствовали чугунные конструкции (рис. 1.1), поскольку металлургия железа была еще очень примитивной. Чугунные конструкции продолжали применять до конца XIX в., постоянно совершенствуя конструктивные формы. Появились двутавровые балки прямолинейного и криволинейного очертаний, в том числе балки с проемами, полые сечения колонн, удобные для чугунного литья.
Сочетания таких балок и колонн позволило создать рациональный тип каркасного здания (рис. 1.2). Большинство фабричных зданий московских и подмосковных мануфактур построены по этому типу и продолжают эксплуатироваться в наше время. Столь же удачной оказалась работа чугуна на сжатие в арках и сводах. Кроме многочисленных арочных мостов можно отметить купол хлебного рынка в Париже пролетом
Плохая работа чугуна на растяжение повысила, хотя далеко не сразу, конкурентоспособность железа, чему способствовала замена в конце XVII в. кричного процесса пудлингованием. Появились железо-деревянные, а затем железо-чугунные фермы (рис. 1.4), в которых растянутые элементы выполнялись из железа в виде выкованных стержней обычно брусчатого или круглого сечения. Созданная Полонсо в
Большим преимуществом этой системы являлось наличие в ней болтовых соединений с проушинами, благодаря чему она была хорошо приспособлена к кузнечной работе.
Другим ее преимуществом являлась четкая схема работы, в отличие от ранее применявшихся схем, иногда весьма причудливой формы (рис. 1.6). Следует отметить, что ферма Полонсо появилась до разработки теории ферм, данной Риттером и Кульманом в конце 50-х годов. Теория ферм показала неоспоримые преимущества раскосных систем, однако их применение сдерживалось сложностью оформления узловых сопряжений при отсутствии в то время развитого клепального процесса.
Широкому развитию металлических конструкций, начиная с 30-х годов прошлого столетия, способствовали три обстоятельства:
появление клепального процесса с использованием дыропробивных прессов, развитие проката листов и фасонных профилей, бурный рост сети железных дорог и связанное с этим строительство мостов и вокзальных перекрытий. Применение прокатных профилей и заклепочных соединений позволило достаточно просто выполнять сложные пространственные узлы (рис. 1.7), что способствовало бурному совершенствованию конструктивной формы конструкций. Для демонстрации больших возможностей металлических
конструкций на каждой всемирной выставке непременно строились большие металлические павильоны и другие сооружения оригинальной конструкции: «Хрустальный дворец» на Лондонской выставке
С развитием электрификации появилась возможность в промышленных зданиях создавать верхний транспорт, для устройства которого использовались подкрановые балки, опертые на колонны.
Это способствовало передаче нагрузки от покрытия и от ветра не на каменные стены, а на колонны и позволило сделать здание с полностью металлическим каркасом.
Эпоха создания современной конструктивной формы стального каркаса — конец XIX и начало XX в.— совпала с периодом бурного развития теоретических знаний в области строительной механики, вследствие чего на конструктивном мышлении того периода сказалось значительное воздействие теоретического подхода.
Конструирование «статически ясных», как тогда говорили, схем стало предметом особого внимания проектировщиков. Появились технические решения со специально изготовленными шарнирами в узлах сопряжений ригеля с колоннами, колонн с фундаментами (рис. 1.9). В многопролетных балках и фермах мостов устраивали шарниры для придания системе статической определимости. Такое направление было характерно для европейской (включая Россию) школы. Американское конструирование, появившееся значительно позднее европейского, но развивавшееся стремительными темпами в условиях широкого размаха промышленной деятельности, высокой стоимости рабочей силы и достаточного количества свободного металла, опиралось на иные принципы. Главенствующее значение здесь приобрела скорость возведения и, следовательно, простота конструкций, узлов, их унификация. Расход металла играл второстепенную роль, при этом американские инженеры обычно опирались не на четкие расчетные требования, а на опыт эксплуатации уже возведенных конструкций.
Поэтому их конструкции, включая небоскребы, делались мощного сечения с жесткими узлами и имели высокую металлоемкость. Советские конструкторы вначале (20-е годы) ориентировались на немецкий опыт, но уже в первой пятилетке взяли курс на американские методы проектирования, отвечающие более высоким темпам строительства. Однако созданная в эти годы советская конструкторская школа не копировала американскую, а давала разумное сочетание последней с теоретическим обоснованием принимаемых
решений. Приняв положение о первейшем значении снижения трудоемкости изготовления и монтажа конструкций, советская конструкторская школа дополнила его требованием экономии стали на основе более точных расчетов.
Дальнейшее развитие и совершенствование металлических конструкций было связано с применением сварки. К концу 40-х годов клепаные конструкции применялись исключительно редко, главным образом в мостах. Переход на сварные конструкции позволил делать их легкими, технологичными и экономичными. Сварка способствовала разнообразию конструктивных решений и расширению рациональных областей применения металлических конструкций.
Во время Великой Отечественной войны 1941—-1945 гг., несмотря на большой расход стали на нужды войны и временную потерю металлургических заводов на юге страны, при перебазировании промышленности на восток стальные конструкции применялись весьма широко, так как они наилучшим образом отвечали задаче военного времени — скоростному строительству. В соответствии с требованиями военного времени основная тенденция заключалась в упрощении конструктивной формы за счет широкого применения крупного проката и сплошностенчатых конструкций.
В послевоенный период в связи с огромным объемом восстановительных работ особенно остро встал вопрос экономии стали, поэтому значительно увеличилась доля сквозных конструкций для ригелей рам и колонн.
С годами проблема экономии стали не снижалась, а возрастала, что сдерживало применение стали в строительстве часто не обоснованно. С конца 50-х и до середины 60-х годов стали появляться прямые директивные запреты на применение стальных конструкций в целом ряде объектов с заменой их железобетонными. И только создание легких металлических конструкций, в которых расход стали иногда был меньше, чем расход стали на арматуру аналогичных железобетонных конструкций, позволило металлическим
конструкциям вновь занять достойное место в строительстве.
Общий спад производства и развал экономики, начавшийся во второй половине 80-х годов и продолжающийся до наших дней, не мог не отразиться на металлических конструкциях. Появлялись лишь отдельные значительные здания и сооружения, но они возводились крайне редко и в единичных экземплярах. Массовое строительство было резко сокращено и переориентировано на реконструкцию и создание мелких зданий с малыми пролетами и нагрузками.
Таковы основные этапы развития металлических конструкций.