Мельников - Справочник проектировщика. Металлические конструкции

СПРАВОЧНИК ПРОЕКТИРОВЩИКА

МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ

Издание 2-е, переработанное и дополненное

Под редакцией академика Н. П. Мельникова

Москва

Стройиздат

1980

Металлические конструкции /Под ред. Н. П. Мельникова. —2-е изд., перераб. и доп. —М.: Стройиздат, 1980. — 776 с.— (Справочник проектировщика).

Обобщеи опыт исследования и проектирования металлических конструкций в СССР. Приведены сведения о материалах и полуфабрикатах для строительных металлических конструкций, общие положения по их расчету и конструированию, методы расчета и оптимизации конструкций с помощью ЭВМ. Даны сведения о способах изготовления, транспортирования и монтажа металлических конструкций, технологичности проектируемых конструкций и их экономике. Освещены вопросы их унификации, типизации и стандартизации.

Справочник предназначеи для инженерно-технических работников проектных организаций.

(с) Стройиздат, 1980

ПРЕДИСЛОВИЕ

Справочник по металлическим конструкциям вышел первым изданием в 1962 г. и стал одним из основных пособий по проектированию. Второе, дополненное и переработанное издание содержит необходимые проектировщикам и научным работникам сведения и справочные данные для разработки конструктивных форм, решаемых в металле Приведенные в справочнике материалы базируются на использовании многолетнего опыта ЦНИИпроектстальконструкции и других организаций, проектирующих металлические конструкции.

Второе издание справочника дополнено разделами и главами, посвященными описанию современных конструктивных решений и способов расчета. Разделы, содержавшиеся в первом издании, подверглись существенной переработке и дополнению с учетом обновления, совершенствования и развития конструктивных форм, а также изменения государственных стандартов, соответствующих глав Строительных норм и правил и различных технических условий.

В справочнике рассмотрены основные вопросы выбора рациональных конструктивных форм зданий и сооружений и освещены современное состояние и пути дальнейшего развития металлических конструкций, изложены основные положения и данные, необходимые при проектировании.

Основной задачей капитального строительства является повышение эффективности капитальных вложений, обеспечение дальнейшего роста и качественного совершенствования основных фондов, быстрейшего ввода в действие и освоения новых производственных мощностей во всех отраслях народного хозяйства за счет улучшения планирования, проектирования и организации строительного производства, сокращения продолжительности и снижения стоимости строительства. С этой целью необходимо:

повысить уровень индустриализации строительства и степень заводской готовности строительных конструкций;

шире применять в строительстве новые виды материалов и изделий, экономичные

профили металлопроката, изделия из алюминиевых сплавов;

обеспечить экономию проката черных металлов и снижение сметной стоимости строительства.

При подготовке второго издания справочника авторы стремились отразить результат быстрого поступательного развития науки и техники в области металлических конструкций и содействовать внедрению новых прогрессивных конструктивных форм и способов расчета, разработанных в последние годы в СССР и за рубежом. При этом ставилась задача дать материал, позволяющий учитывать требования и перспективу дальнейшего развития конструктивных форм и способов изготовления и монтажа металлических конструкций. Обобщены важнейшие виды и тенденции развития металлостроительства, применения новых сталей, сплавов, профилей проката, типов соединений и конструкций.

Справочник предназначен для широкого круга специалистов — проектировщиков и строителей металлических конструкций, студентов, аспирантов, преподавателей вузов и др.

Справочник состоит из 12 разделов, включающих 44 главы и охватывающих основные вопросы проектирования металлических конструкций промышленных зданий и сооружений Материал распределен по разделам соответственно характеру тематики, типам зданий и сооружений; помимо вопросов непосредственно проектирования включены неразрывно связанные с ним сведения по материалам, промышленному изготовлению, транспортированию, монтажу и экономике металлических конструкций. Для каждого типа сооружения приведены: краткая характеристика особенностей его работы, перечень конструкций, входящих в состав сооружения, особенности конструктивных форм, рекомендации по выбору и компоновке схем сооружений и применению марок стали и соединений, нагрузки и особенности расчета, конструктивные требования, существующие типовые конструкции, расход стали и некоторые другие данные. Степень детализации отдельных вопросов в справочнике предусмотрена с учетом существующей литературы с тем, чтобы большее внимание уделить вопросам, мало освещенным в литературе Указания по расчетам отдельных видов конструкций даны без изложения общих методов, приводятся только рекомендации по применению известных методов и упрощенных приемов расчета В конце глав или разделов помещены списки литературы

Раздел I справочника состоит из четырех глав. В гл, I приведены классификация строительных сталей, марки сталей и их подробные характеристики. Описаны критерии сопротивления стали и стальных конструкций хрупкому разрушению. Даны рекомендации по повышению хладостойкости стальных конструкций, выбору марок стали для стальных конструкций зданий и сооружений с учетом требований СНиП, конструктивных особенностей и условий эксплуатации.

В гл. 2 рассмотрены характеристики профилей общего и специального назначения, применяемых в строительных конструкциях; указаны области их рационального применения и перечислены нормативные документы, по которым они поставляются.

Глава 3 посвящена описанию и классификации различных заводских и монтажных соединений деталей и элементов конструкций с указанием областей их рационального применения.

Глава 4 содержит общие расчетные положения, разработанные ЦНИИпроектстальконструкцней при участии других организаций.

В разделе II рассмотрен наиболее массовый класс конструкций — стальные конструкции зданий. Раздел состоит из 12 глав и включает общие положения проектирования стальных конструкций с указанием областей их применения. Приведены необходимые проектировщикам данные по вопросам унификации, типизации и стандартизации стальных конструкций производственных зданий. Освещены вопросы проектирования стальных каркасов одноэтажных и многоэтажных зданий, приведены рекомендации по компоновке и выбору схем каркасов и методике их расчета, даны указания по конструированию и расчету узлов сопряжений, показаны примеры решений наиболее интересных стальных каркасов современных одноэтажных и многоэтажных зданий. Приведены конструктивные решения и рекомендации по расчету элементов стальных конструкций производственных зданий: колонн, подкрановых путей, покрытий, фахверков, переплетов и оконных панелей, площадок, лестниц и ограждений В каждой главе приведены необходимые справочные данные по типовым конструкциям массового применения. Включены новые главы по легким металлическим конструкциям (гл. 15) и конструкциям из широкополочных двутавров и тавров (гл. 16), в которых освещены особенности этих конструкций и указаны области их рационального использования.

Раздел III посвящен стальным конструкциям покрытий больших пролетов балочных, рамных, арочных, пространственных и висячих систем. В трех главах (17—19) этого раздела приведены схемы, конструктивные решения и рекомендации по расчету большепролетных покрытий указанных типов. Раздел пополнен новыми примерами решений покрытий, особенно пространственного типа, в том числе уникальных сферических оболочек, выполненных по разработкам ЦНИИпроектстальконструкции.

Раздел IV «Стальные листовые конструкции» состоит из пяти глав и содержит рекомендации и необходимые справочные данные по выбору схем, компоновке конструкций, выбору марок сталей, конструктивным решениям и расчетам конструкций доменных цехов и газоочисток, газгольдеров, резервуаров, бункеров, силосов и надземных трубопроводов. Этот раздел пополнен многими примерами современных листовых конструкций, в том числе комплекса самой крупной в мире доменной печи объемом 5 тыс. м3 и резервуаров большой вместимости. Приведены также подробные рекомендации по расчетам футерованных конструкций (гл. 20).

В разделе V «Металлические конструкции антенных сооружений» приведена классификация антенных систем, описаны особенности различных нагрузок и воздействий.

Изложены вопросы компоновки, конструирования и расчета различных антенных сооружений. Более подробно представлены конструктивные решения и рекомендации по расчету зеркальных антенн. Конструкции из алюминиевых сплавов описаны в разделе VI. В нем изложены все основные положения и рекомендации по проектированию алюминиевых конструкций: области рационального применения; рекомендации по выбору сплавов и типов соединений, компоновке и выбору прессованных и гнутых профилей; указания по расчету конструкций и соединений. Приведены примеры различных алюминиевых конструкций.

Раздел VII «Предварительно-напряженные металлические конструкции» существенно расширен. В него включены результаты новых исследований и примеры конструктивных решений с использованием различных способов предварительного напряжения.

Приведены описания видов предварительного напряжения и областей их применения, а также различных форм предварительно-напряженных конструкций и указаны рекомендуемые способы их расчета.

Раздел VIII, заново включенный в справочник, посвящен расчету металлических конструкций на динамические воздействия.

Раздел состоит из двух глав, в которых даны классификация динамических воздействий и рекомендации по расчету конструкций, в том числе на сейсмические воздействия.

Раздел IX «Применение ЭВМ в проектировании металлических конструкций» также является новым. В трех его главах приведены подробные аннотации различных программ по проектированию металлических конструкций с использованием ЭВМ. Большое перспективное значение имеют включенные в раздел рекомендации по организации автоматизированного проектирования металлических конструкций.

Создание новых и совершенствование существующих конструкций немыслимо без экспериментальных исследований. Эти вопросы изложены в новом, X разделе справочника, в котором описаны подготовка и порядок проведения экспериментальных исследований и последующий анализ и оценка результатов испытаний. Приведены также необходимые проектировщику справочные данные об имеющихся испытательных приборах, оборудовании и установках для экспериментальных исследований.

За последние годы большое народно-хозяйственное значение приобрели вопросы защиты металлических конструкций от коррозии. Эти вопросы в справочнике отражены впервые. В разделе XI дана классификация агрессивных сред и коррозионной стойкости различных материалов, изложены особенности конструктивных решений и приведены рекомендуемые способы защиты металлических конструкций от коррозии.

В разделе XII изложены требования к конструктивной форме —- технологичности изготовления, удобства транспортирования, монтажа и экономичности. Учет этих требований позволит повысить эффективность металлических конструкций. Приведена методика оценки технико-экономических показателей стальных конструкций в процессе проектирования.

Н. П. МЕЛЬНИКОВ

ВВЕДЕНИЕ

Проектировщик, разрабатывая те или иные конструктивные формы, руководствуется при решении инженерных задач основными принципами науки о металлических конструкциях и методами советской конструкторской школы.

Наука о металлических конструкциях органически связана с практикой. Она решает вопросы создания конструктивных форм зданий и сооружений и основывается на теории формообразования; теории сооружений, включающей методы статического и динамического расчетов; теории надежности и экспериментальных исследованиях; теории технологических процессов, процессов монтажа и экономики конструкций.

Теория формообразования рассматривает идеи создания конструктивных форм; изучает области применения металлических конструкций; исследует строительные стали и алюминиевые сплавы, сортаменты горячекатаных и холодноформованны.х профилей, оптимизацию конструктивных комплексов и элементов; изучает типизацию конструкций, теорию соединений и методы создания конструктивных форм.

Современные требования к методике расчета металлических конструкций диктуются развитием конструктивных форм, тесно связанных с прогрессом различных отраслей народного хозяйства и строительной техники. Характеристика конструктивной формы служит одной из основных и важнейших исходных предпосылок для постановки расчетной задачи и выбора методики расчета.

Если в прошлом наблюдалось стремление создавать конструктивные формы на основе использования статически определимых, так называемых четких шарнирных расчетных схем, то в настоящее время использование ЭВМ позволяет проектировать разнообразные конструктивные формы и получать достаточно полную картину напряженно-деформированного состояния, отражающую действительные условия работы сооружения.

Наука о металлических конструкциях прошла большой путь развития и в настоящее время занимает ведущее место в мировой строительной технике.

Начало применения в России металлических конструкций относится к XVIII в., но более широкое применение и развитие они получили в XIX в. К началу XX в. отечественными инженерами были созданы рациональные конструктивные формы сооружений из стали, оригинальные по замыслу и выбранные на основе анализа законов изменения веса конструкций.

В советский период, к началу первой пятилетки, проектирование металлических конструкций основывалось на развитии лучших достижений отечественной и зарубежной строительной техники. Однако технические решения зарубежных школ проектирования металлических конструкций промышленных зданий и сооружений во многом уступали решениям советской школы и не могли полностью отвечать требованиям, основанным на комплексном изучении и учете факторов, определяющих выбор наиболее рациональных конструкций, их весовых, эксплуатационных и других показателей.

Объяснялось это тем, что одни зарубежные школы проектирования основывались на теоретическом расчете и выборе конструктивной формы и рассматривали каждое сооружение как уникальное. Другие школы, стремясь к максимальному снижению трудоемкости изготовления конструкций, приходили к примитивным решениям, заметно утяжелявшим конструкции.

Советская конструкторская школа развивалась на базе работ и исследований, выполненных организацией, созданной в 1880 г. и руководимой выдающимся ученым и инженером, почетным академиком В. Г. Шуховым. Отечественная школа металлостроительства базировалась на развитии законов веса как решающего критерия, которому придавалось большое значение при поисках легких и оригинальных конструктивных форм, например башни Шухова, шуховские стропильные фермы, покрытия больших пролетов. Советская конструкторская школа, созданная коллективами ЦНИИпроектстальконструкции. МИСИ им В. В. Куйбышева, ЦНИЙСК. им. В. А. Кучеренко и другими организациями, является дальнейшим развитием отечественной конструкторской школы. Она изучает пути и особенности создания оптимальной конструктивной формы и устанавливает основные критерии для ее выбора, к которым могут быть отнесены:

соответствие конструктивной формы технологическим требованиям производственного процесса, функциональному назначению здания или сооружения, а также условиям их эксплуатации;

минимальная масса металлических конструкций;

возможно наименьшая трудоемкость изготовления и монтажа конструкций;

наибольшая возможная скорость и удобство монтажа конструкций;

минимальная стоимость каркаса здания или сооружения.

Анализируя конструктивные формы отечественных сооружений из металла, можно отметить три периода в их развитии:

1. Дореволюционный период, когда выбор конструктивной формы был подчинен экономии металла и основан на теоретически оптимальной схеме, чему особенно способствовало широкое развитие строительной механики в конце XIX и начале XX в.

2. Послереволюционный период, когда создание конструктивной формы, основанной на принципе экономии металла, испытывало влияние перехода от кустарных способов изготовления и монтажа конструкций к механизированным. Несоизмеримые по сравнению с прошлым масштабы строительства, положив начало индустриальному изготовлению конструкций, выдвинули проблему резкого увеличения производства металлических конструкций и снижения трудоемкости их изготовления на базе максимального использования современного оборудования заводов-изготовителей.

В соответствии с развитием социалистической экономики страны были поставлены новые требования, важнейшими из которых наряду с экономией металла стали снижение трудоемкости изготовления и монтажа, а также обеспечение требуемой долговечности при значительно более сложных условиях эксплуатации.

При выборе оптимальных технологических параметров, учете возможного возрастания нагрузок, систематизации технологических требований и при необходимости повышения капитальности сооружений, обеспечивающей их моральную и физическую долговечность, потребовалась совместная работа проектировщиков и технологов.

В этот период был создан первый у нас в стране «Справочник по металлическим конструкциям» (1934 г.). Однако его содержание исчерпывалось расчетными таблицами и изложением норм проектирования.

3. Послевоенный период, когда к конструктивной форме наряду с требованием высокого качества были предъявлены требования экономии металла, индустриализации изготовления и скоростного монтажа.

На первый план были выдвинуты, с одной стороны, требования типизации и стандартизации и использования новейших способов производства (сварки, газовой резки, механической обработки на высокопроизводительных агрегатах и др.), а с другой,— скоростного монтажа крупными блоками, основанного на превращении строительного процесса в высокомеханизированную сборку отдельных укрупненных блоков.

Эти тенденции вызвали необходимость создания конструктивных форм типовых зданий и сооружений, основанных на модульности многократно повторяющихся стандартных и типовых элементов, обеспечивающей возможность их серийного изготовления с использованием специальных устройств и приспособлений (автоматических установок, кондукторов, станков и т. п.). Развитие скоростного монтажа привело к созданию конструкций с простыми и надежными болтовыми и сварными монтажными соединениями, обеспечивающими быструю установку, выверку и закрепление элементов.

Современный этап в создании металлических конструкций связан с переводом процесса изготовления на механизированный поточный метод, а процесса монтажа на поточно-блочный конвейерный способ сборки конструкций. Новое в технологии изготовления обусловливает выбор такой конструктивной формы, которая соответствовала бы механизированному и автоматизированному способу изготовления на поточных линиях.

Достижение более высокого уровня индустриализации, при котором процесс монтажа на месте строительства превращается в процесс сборки или установки конструкций из крупных блоков, возможно лишь при, создании конструкций, отвечающих этому требованию. Разработка конструктивных форм, соответствующих критерию наименьшей трудоемкости изготовления и монтажа, в указанном смысле становится важной задачей.

Применение ЭВМ создает новые возможности в развитии автоматизации производства и позволяет резко повысить эффективность изготовления металлических конструкций. Благодаря комплексной автоматизации выполнение всех основных и вспомогательных функций трудового процесса — технологической, транспортной, энергетической, контрольно-измерительной и логической — перекладывается на машины и устройства.

Конструктивные формы изделий и способы их изготовления на поточных линиях рассматриваются как единый комплекс, определяющий оптимальность методов производства. Основные требования, которым должна удовлетворять конструктивная форма, дополняются требованиями поточного производства — минимальное число типоразмеров конструкций, приемлемые для перемещения на поточных линиях габариты элементов, возможность членения конструкции на постепенно укрупняемые элементы.

Анализ показывает, что уже сейчас возможно большинство конструкций промышленных зданий перевести на прогрессивные способы производства. Надо полагать, что в дальнейшем на этот способ производства будут переведены строительные конструкции широкой номенклатуры. Автоматизация изготовления—генеральное направление в области развития производства металлических конструкций. При этом интенсификация процессов изготовления конструкций предполагает переход на широкую специализацию. В этой связи становится необходимым изучение объемов и номенклатуры конструкций специализированного заводского изготовления. Переход на новые способы производства требует изучения законов изменения трудовых затрат и закономерностей ценообразования металлических конструкций.