Классификация нагрузок

Вопрос

Общие положения

При проектировании следует учитывать нагрузки, возникающие при возведении и эксплуатации сооружений, а также при изготовлении, хранении и перевозке строительных конструкций.

1.2. Основными характеристиками нагрузок, установленными в настоящих нормах, являются их нормативные значения.

Нагрузка определенного вида характеризуется, как правило, одним нормативным значением. Для нагрузок от людей, животных, оборудования на перекрытия жилых, общественных и сельскохозяйственных зданий, от мостовых и подвесных кранов, снеговых, температурных климатических воздействий устанавливаются два нормативных значения: полное и пониженное (вводится в расчет при необходимости учета влияния длительности нагрузок, проверке на выносливость и в других случаях, оговоренных в нормах проектирования конструкций и оснований).

1.3. Расчетное значение нагрузки следует определять как произведение ее нормативного значения на коэффициент надежности по нагрузке гамма f, соответствующий рассматриваемому предельному состоянию и принимаемый:

б) при расчете на выносливость - равным единице;

в) в расчетах по деформациям - равным единице, если в нормах проектирования конструкций и оснований не установлены другие значения;

г) при расчете по другим видам предельных состояний - по нормам проектирования конструкций и оснований.

Расчетные значения нагрузок при наличии статистических данных допускается определять непосредственно по заданной вероятности их превышения.

При расчете конструкций и оснований для условий возведения зданий и сооружений расчетные значения снеговых, ветровых, гололедных нагрузок и температурных климатических воздействий следует снижать на 20%.

При необходимости расчета на прочность и устойчивость в условиях пожара, при взрывных воздействиях, столкновении транспортных средств с частями сооружений коэффициенты надежности по нагрузке для всех учитываемых при этом нагрузок следует принимать равными единице.

Примечание.Для нагрузок с двумя нормативными значениями соответствующие расчетные значения следует определять с одинаковым коэффициентом надежности по нагрузке (для рассматриваемого предельного состояния).

Классификация нагрузок

В зависимости от продолжительности действия нагрузок следует различать постоянные и временные (длительные, кратковременные, особые) нагрузки.

Нагрузки возникающие при изготовлении, хранении и перевозке конструкций, а также при возведении сооружений, следует учитывать в расчетах как кратковременные нагрузки.

К постоянным нагрузкам следует относить:

а) вес частей сооружений, в том числе вес несущих и ограждающих строительных конструкций;

б) вес и давление грунтов (насыпей, засыпок), горное давление.

Сохраняющиеся в конструкции или основании усилия от предварительного напряжения следует учитывать в расчетах как усилия от постоянных нагрузок.

К длительным нагрузкам следует относить:

а) вес временных перегородок, подливок и подбетонок под оборудование;

б) вес стационарного оборудования: станков, аппаратов, моторов, емкостей, трубопроводов с арматурой, опорными частями и изоляцией, ленточных конвейеров, постоянных подъемных машин с их канатами и направляющими, а также вес жидкостей и твердых тел, заполняющих оборудование;

в) давление газов, жидкостей и сыпучих тел в емкостях и трубопроводах, избыточное давление и разрежение воздуха, возникающее при вентиляции шахт;

г) нагрузки на перекрытия от складируемых материалов и стеллажного оборудования в складских помещениях, холодильниках, зернохранилищах, книгохранилищах, архивах и подобных помещениях;

д) температурные технологические воздействия от стационарного оборудования;

е) вес слоя воды на водонаполненных плоских покрытиях;

ж) вес отложений производственной пыли, если ее накопление не исключено соответствующими мероприятиями;

з) нагрузки от людей, животных, оборудования на перекрытия жилых, общественных и сельскохозяйственных зданий с пониженными нормативными значениями, приведенными в табл 3;

и) вертикальные нагрузки от мостовых и подвесных кранов с пониженным нормативным значением, определяемым умножением полного нормативного значения вертикальной нагрузки от одного крана в каждом пролете здания на коэффициент: 0,5 - для групп режимов работы кранов 4К-6К; 0,6 - для группы режима работы кранов 7К; 0,7 - для группы режима работы кранов 8К. Группы режимов работы кранов принимаются по ГОСТ 25546-82;

к) снеговые нагрузки с пониженным расчетным значением, определяемым умножением полного расчетного значения на коэффициент 0,5;

л) температурные климатические воздействия с пониженными нормативными значениями, определяемыми в соответствии с указаниями пп.8.2 - 8.6 при условии Тета1 = Тета2 = Тета3 = Тета4 = Тета5 = 0, ДельтаI = ДельтаVII = 0;

м) воздействия, обусловленные деформациями основания, не сопровождающимися коренным изменением структуры грунта, а также оттаиванием вечномерзлых грунтов;

н) воздействия, обусловленные изменением влажности, усадкой и ползучестью материалов.

Примечание. В районах со средней температурой января минус 5°С и выше (по карте приложения 5 к СНиП 2.01.07-85*) снеговые нагрузки с пониженным расчетным значением не устанавливаются.

К кратковременным нагрузкам следует относить:

а) нагрузки от оборудования, возникающие в пускоостановочном, переходном и испытательном режимах, а также при его перестановке или замене;

б) вес людей, ремонтных материалов в зонах обслуживания и ремонта оборудования;

в) нагрузки от людей, животных, оборудования на перекрытия жилых, общественных и сельскохозяйственных зданий с полными нормативными значениями, кроме нагрузок, указанных в п.1.7, а, б, г, д;

г) нагрузки от подвижного подъемно-транспортного оборудования (погрузчиков, электрокаров, кранов-штабелеров, тельферов, а также от мостовых и подвесных кранов с полным нормативным значением);

д) снеговые нагрузки с полным расчетным значением;

е) температурные климатические воздействия с полным нормативным значением;

ж) ветровые нагрузки;

з) гололедные нагрузки.

1.9. К особым нагрузкам следует относить:

а) сейсмические воздействия;

б) взрывные воздействия;

в) нагрузки, вызываемые резкими нарушениями технологического процесса, временной неисправностью или поломкой оборудования;

г) воздействия, обусловленные деформациями основания, сопровождающимися коренным изменением структуры грунта (при замачивании просадочных грунтов) или оседанием его в районах горных выработок и в карстовых.

К особым нагрузкам и воздействиям относятся : сейсмические и взрывные воздействия, нагрузки и воздействия, вызываемые резким нарушением технического процесса, неисправностью оборудования- обрыв канатов, удар о преграду, удар канатов о тупиковый упор, неравномерные деформации основания, сопровождающийся корреным изменением структуры грунт,(оттаивание вечномерзлых грунтов, замачивание посадочных грунтов), воздействия деформации земной поверхности под влиянием разработок.

Сочетание нагрузок и воздействий

В расчет строительных конструкций следует учитывать наиболее необагоприятные, физически возможные сочетания нагрузок и воздействий.

Различают сочетания двух видов: основные и особые. В основные сочетания усилий входят их значения от постоянных, длительных и кратковременных нагрузок и воздействий. В особые сочетания входят усилия от постоянных, длительных, некоторых кратковременных и одной из особых нагрузок и воздейтсвий.

Нагрузки входящие в сочетание усилий, берутся умноженными на коэффициент сочетаний ψ

2, 3вопрос

Строительные стали

Сталь — это сплав железа с углеродом и некоторыми добавками. Химический состав стали существенно влияет на ее физико-механичес­кие свойства, при этом одни химические элементы являются легирую­щими, улучшающими некоторые свойства стали, другие, остающиеся в процессе ее выплавки, — вредными, ухудшающими свойства.

Железо в виде зерен феррита обеспечивает высокую пластичность, углерод в виде соединения с железом Fe₃C, образующего цементитовую решетку, обеспечивает высокую прочность. Чем больше углерода, тем прочнее и тверже для обработки сталь, тем меньше ее пластичность. Поэтому в строительных сталях, в которых необходимо сохранить из-за сложности их работы высокую пластичность, допускается содержание углерода не более 0,22%. Помимо феррита и цементита, имеется еще одна структурная составляющая — перлит, т.е. раствор частей цементи­та в феррите.

Кремний (С) повышает прочность стали, но снижает свариваемость и стойкость против коррозии. Обычно его не более 1%. Алюминий (Ю) входит в виде соединений — нитридов и карбидов. Марганец (Г) повы­шает прочность стали и пластичность, обычно его не более 1,5%. Медь (Д) повышает коррозионную стойкость стали. Молибден (М), бор (Р), хром (X), ванадий (Ф), никель (Н) и другие элементы применяются как легирующие присадки для повышения прочности и улучшения свойств стали.

Азот (А) в свободном состоянии способствует старению стали, повы­шает склонность к хрупкому разрушению. В связанном состоянии обра­зует нитриды, которые способствуют повышению прочности.

К вредным примесям относятся фосфор, способствующий хрупкому разрушению при низких температурах, и сера, вызывающая трещины при остывании. Их содержание ограничивается 0,04—0,05%. Вредны так­же и газы, в том числе кислород и водород.

По способу выплавки сталь разделяется на мартеновскую, кислород­но-конверторную, электросталь и сталь из железа прямого восстановле­ния.

По степени раскисления сталь делят на кипящую, полуспокоцную и спокойную. При выплавке стали из передельного чугуна выделяется газ (СО и С0₂), вызывающий кипение металла, прдолжающееся в разли­вочном ковше и в изложницах до затвердевания слитка. Такая сталь на­зывается кипящей. В этой стали наблюдается резкая неоднородность по содержанию углерода, серы и фосфора, что существенно влияет на одно­родность механических свойств, особенно при толщине проката более 20 мм.

Спокойная сталь раскисляется в сталеплавильном агрегате, а также в ковше при выпуске из печи с помощью раскислителей: марганца, крем­ния, алюминия, иногда кальция и титана. Эти элементы более активно соединяются с кислородом, чем углерод, поэтому окисление углерода прекращается и сталь перестает кипеть. Слитки спокойной стали гораздо однороднее по химическому составу, то же относится и к прокату. При­менение раскислителей, увеличение времени плавки и ряд других фак­торов делают спокойную сталь значительно дороже кипящей.

Компромиссный вариант между качеством спокойной стали и деше­визной кипящей — полуспокойная сталь, получаемая либо частичным раскислением, либо химическим закупориванием в бутылочных излож­ницах путем введения раскислителя в головную часть слитка после окон­чания разливки. Такая сталь обладает высокими технико-экономически­ми показателями и более низкой стоимостью, чем спокойная сталь.

Промышленная поставка стали в зависимости от нормируемых свойств осуществляется по трем группам: А(гарантия по механическим свойствам), Б (гарантия по химическому составу) и В (гарантия по ме­ханическим свойства и химическому составу), — с поставкой по 2—6 ка­тегориям в отношении ударной вязкости.

Категории стали для каждой марки отражают ее химический состав, временное сопротивление, относительное удлинение и другие характе­ристики, которые учитываются при проектировании конструкций.

В зависимости от вида поставки стали подразделяются на горячека-танные и термообработанные (нормализованные или термически улуч­шенные). При нормализации (нагреве до температуры образования аус-тенита и последующего охлаждения на воздухе) измельчается структура стали, повышается ее однородность, увеличивается вязкость. При тер­мическом улучшении (закалке в воде и высокотемпературном отпуске) получаются стали высокой прочности, хорошо сопротивляющиеся хруп­кому разрушению.

По,прочностным свойствам стали условно делят на три группы: обыч­ной прочности (с пределом текучести а_т = R_vn < 290 МПа), повышенной прочности (290МПа < #_>и < 400МПа) и высокой прочности (Ry„ > 400 МПа).

Повышение прочности стали достигается легированием и термичес­кой обработкой.

Надежность и долговечность стальных конструкций во многом зави­сит от свойств материала. Наиболее важными для работы конструкций.

 

 

Вопрос

Механические свойства: прочность, упругость, пластичность, склонность к хрупкому разрушению, ползучесть, твердость, а также сва­риваемость, коррозионная стойкость, склонность к старению и техноло­гичность.

Прочность характеризуется сопротивлением материала внешним силовым воздействиям без разрушения. Упругость — свойство материа­ла восстанавливать свою первоначальную форму после снятия внешних нагрузок. Пластичность — свойство материала получать остаточные де­формации (не возвращаться в первоначальное состояние) после снятия внешних нагрузок.

Прочность, упругость и пластичность стали определяются испыта­нием на растяжение специальных стальных образцов (прямоугольного или круглого сечения) с записью диаграммы зависимости между напря­жением си относительным удлинением е ( рис. 24.1, б)

а = FI А; е = (Д///_о)100%,

 

Хрупкость — это склонность материала к разрушению при малых де­формациях. Ползучесть — свойство материала непрерывно деформиро­ваться во времени без увеличения нагрузки. Ползучесть в металлах, при­меняемых в строительных конструкциях, проявляется при высоких тем­пературах. Твердость — свойство поверхностного слоя металла сопротив­ляться деформации или разрушению при внедрении в него индентора из более твердого материала. Основными показателями, характеризующими хрупкие и пластические свойства стали, являются относительное удлине­ние и условная ударная вязкость, измеряемая удельной работой, затрачи­ваемой для разрушения ударом стандартного образца с надрезом.

Основной способ соединения элементов стальных конструкций — сварка, поэтому важнейшим требованием, предъявляемым к строитель­ным сталям, является свариваемость. Оценку свариваемости произво­дят по химическому составу, а также путем применения специальных технологических проб.

Коррозионная стойкость определяет долговечность стальных конст­рукций и зависит от химического состава. Мерой коррозионной стойкос­ти служит скорость коррозии по толщине металла в мм/год.

При изготовлении и монтаже конструкций широко используют такие операции, как гибка, резка, строжка, сверление отверстий и т.д. Они свя­заны с процессами упругопластического изгиба, скалывания, обработки резанием, термическими воздействиями. Для качественного выполнения этих операций металл должен иметь соответствующие технологические свойства, оценку которых производят по химическому составу.

К важным механическим свойствам строительных сталей относятся явления наклепа, старения, неравномерного распределения напряжений и усталости. Наклеп (или нагартовка) — это увеличение области упругой работы стали а_к > R_yn путем предшествующего растяжения выше преде­ла текучести (рис. 24.2). При повторном нагружении стали она начинает работать упруго до напряжения о_к однако при этом значительно повы­шается ее хрупкость.

Сталь с течением времени под воздействием силовых и температур­ных колебаний постепенно изменяет свои свойства, улучшая, подобно наклепу, упругие свойства и снижая пластичность. Это свойство стали называется старением.

Опасности разрушения металлические конструкции подвергаются особенно тогда, когда в рабочих сечениях появляются так называемые концентраторы напряжений, или ослабления в виде отверстий, надрезов и выточек. Все эти концентраторы вызывают возмущение напряженногосостояния. Концентрация напря­жений менее опасна, если в ее зоне может проявляться пластич­ность, выравнивающая напряже­ния (рис. 24.3).

Наиболее опасным воздей­ствием на металл оказывается яв­ление усталости — разрушение металла под воздействием много­кратно повторяющейся, особенно знакопеременной, нагрузки. Раз­рушение конструкции при этом, как правило, мгновенное.

Сопротивление конструкции усталостным разрушениям назы­вается выносливостью. При про­ектировании конструкций, работа­ющих при динамических и знако­переменных нагрузках, нормы предусматривают снижение рас­четных сопротивлений, сокраще­ние объемов применения сварных конструкций и соединений с кон­центраторами напряжений. Значения механических характеристик стали устанавливают в госу­дарственных стандартах (ГОСТ) и технических условиях (ТУ). В необхо­димых случаях при заказе металла оговаривают дополнительные требо­ваний по тем или иным свойствам. Физические характеристики стали и чугуна приведены в табл. 24.1.

По ГОСТ 27772—88 строительные стали обозначаются, например С235, где С — сталь строительная, цифры — это предел текучести R_yn в МПа. Иногда такое обозначение называют классом стали.

Стали обычной прочности — С235, С245, С255, С275, С285. Это мало­углеродистые стали марки СтЗ кипящие, полуспокойные и спокойные.

Стали повышенной прочности — С345, С345К (К — вариант химичес­кого состава), С345Т (Т — термически улучшенная), С375, С375К, С375Т. Стали высокой прочности — С390, С390Т, С390К, С440, С590, С590К. Строительные металлические конструкции изготовляют также из Группа 2. Основные сварные конструкции и элементы, работающие при статических нагрузках преимущественно на растяжение, а также кон­струкции и элементы группы 1 при отсутствии сварных соединений.

Группа 3. Основные сварные конструкции и элементы, работающие при статических нагрузках преимущественно на сжатие, а также конст­рукции и элементы группы 2 при отсутствии сварных соединений.

Группа 4. Вспомогательные конструкции и элементы, а также кон­струкции и элементы группы 3 при отсутствии сварных соединений.

Выбор стали производится в соответствии с табл. 24.2. Поскольку последняя редакция СНиП П-23—81* «Стальные конструкции» ориенти­рована на ГОСТ 27772—88, марки стали могут быть заменены классами стали по этому ГОСТ в соответствии с табл. 24.3.

 

Основными расчетными характеристиками стали являются расчет­ные сопротивления на растяжение, сжатие и изгиб, определяемые де­лением нормативных сопротивлений (предела текучести и предела проч­ности) на коэффициент надежности по материалу:

 

;

Коэффициент надежности по материалу изменяется в пределах 1,025-1,15.

Значения нормативных и расчетных сопротивлений основных строи­тельных сталей приведены в табл. 24.3.

При расчете конструкций с использованием расчетного сопротивления по пределу прочности учитывают повышенную опасность такого состоя­ния путем введения дополнительного коэффициента надежности у_и = 1,3.

При срезе расчетные сопротивления R_s определяют путем умноже­ния расчетного сопротивления R_y на коэффициент перехода 0,58.

При сжатии торцевой поверхности в случае плотной пригонки (строж­ка или фрезеровка торца), согласно нормам, расчетное сопротивление в зоне контакта R_p = R_u.

При расчете проката на растяжение в направлении, перпендикуляр­ном плоскости проката из предположения о возможности расслоя, рас­четное сопротивление R_th = 0,5R_U.

4 вопрос

Алюминиевые сплавы

Алюминий по своим свойствам существенно отличается от стали. Плотность его р = 2700 кг/м³, т.е. почти в три раза меньше плотности стали. Модуль упругости алюминия £=0,71 хЮ⁵ МПа, модуль сдвига С=0,27х10⁵ МПа, что примерно в три раза меньше, чем соответствую­щие величины для стали. Коэффициент линейного расширения алюми­ния а=2,3х10"⁵ Мград, что почти в два раза больше, чем у стали. Вслед­ствие весьма низкой прочности технически чистый алюминий в строи­тельных конструкциях применяется очень редко.

С целью повышения прочности алюминия его легируют, добавляя в сплав магний, марганец, медь, кремний, цинк и некоторые другие эле­менты. Легирующие элементы практически не увеличивают массу спла­вов. С той же целью повышения прочности применяют различные при­емы — термическое упрочнение, нагартовка (наклеп).

Вид сплава обозначается четырехзначной цифрой, в которой первая цифра — основа сплава (1 — алюминий), вторая — номер композиции, две последних — порядковый номер в своей группе. Ранее действовали иные обозначения (табл. 24.4).

Алюминиевые сплавы отличаются высокой коррозионной стойкостью. Это объясняется тем, что на поверхности появляется оксидная пленка, защищающая сплав от воздействия кислорода. От удара по поверхности проката из алюминиевого сплава не возникает искра, как у стали. Это важно для конструкций, применяемых во взрывоопасных производствах.

Конструкции из алюминия благодаря малой массе, стойкости про­тив коррозии, хладостойкости, антимагнитности, отсутствию искрообразования, долговечности и хорошему виду имеют перспективу приме­нения во многих областях строительства.

Недостатком алюминиевых сплавов является их высокая стоимость (выше стали в 5—7 раз). Экономически выгодно алюминиевые сплавы применять в качестве ограждающих конструкций, а также в большепро­летных конструкциях для резкого уменьшения их собственного веса и в подвижных системах (различные краны).

 

 

Влияние температуры на работу стали и алюминиевых сплавов

При нагревании стали до температуры 200—250°С ее механические свойства практически не меняются. При дальнейшем повышении темпе­ратуры до 250—300°С прочность стали несколько повышается, пластич­ность снижается, сталь делается хрупкой (синеломкость). При повыше­нии температуры до 400°С появляется ползучесть, т.е. при постоянных напряжениях нарастают деформации. При температуре 600°С резко воз­растает пластичность стали и теряется способность сопротивления вне­шним воздействиям. При отрицательных температурах прочность стали возрастает (рис. 24.4), ударная вязкость падает и сталь становится более хрупкой.

В соответствии с нормами повышение надежности конструкций до­стигается, в основном, выбором марки стали с гарантией ударной вязко­сти при пониженной температуре, а также специальными мероприятия­ми на стадиях конструирования и изготовления. Поскольку доминирую­щим фактором, вызывающим хрупкое разрушение стали, является сни­жение температуры, сопротивление элементов стальных конструкций хрупкому разрушению отождествляется с понятием хладостойкости.

Прочность алюминиевых сплавов также уменьшается с повышени­ем температуры. При увеличении температуры от 100 до 300°С величи­ны расчетных сопротивлений должны быть уменьшены умножением на понижающие коэффициенты. Полная потеря несущей способности алю­миниевых сплавов наступает при температуре около 400°С. При низких температурах прочность и пластичность алюминиевых сплавов незначи­тельно увеличивается.

Чтобы обеспечить нормальную эксплуатацию металлических конст­рукций в условиях изменения температуры, необходимо:

а)защищать конструкции от нагрева обетонированием или обкладкой керамической плиткой;

б) предусматривать устройство температурных швов;

в) выбирать марки металла в соответствии с величинами возможных отрицательных температур.

 

Коррозия стали и алюминиевых сплавов и меры борьбы с ней

Коррозией металла называется разрушение ее поверхности вслед­ствие химического, электрохимического и биохимического воздействий окружающей среды. В результате коррозии уменьшаются поперечные сечения и несущая способность элементов конструкций. Скорость корро­зии выражается уменьшением толщины элементов конструкций (мм) в течение одного года. Скорость коррозии зависит от степени агрессивно­сти среды и от формы поперечных сечений конструкций. Скопление пыли на поверхности конструкции и периодическое ее смачивание увеличива­ют скорость коррозии. В наилучших условиях находятся конструкции, обдуваемые воздухом. Наибольшая скорость коррозии реализуется при периодическом выпадении конденсата, однако скорость резко возрастает при достижении так называемой критической относительной влажнос­ти, обычно принимаемой равной 70—75%.

Исследования показали, что самой высокой стойкостью против кор­розии обладают элементы трубчатого сечения. Стальные элементы дву­таврового сечения, расположенные вертикально, корродируют сильнее, чем трубчатые, а элементы, расположенные горизонтально, еще больше подвержены коррозии.

Очагами развития коррозии являются щели между элементами па­кетов из листов или фасонных профилей. Коррозия стали наиболее ин­тенсивна, когда в атмосфере есть сернистые или хлористые соединения. Скорость коррозии для углеродистой стали обыкновенного качества в обычных атмосферных условиях равна 0,05 мм/год, а в условиях про­мышленных предприятий — 0,1 мм/год и более. Для низколегирован­ных сталей скорость коррозии меньше.

Для предохранения от коррозии стальные конструкции должны быть тщательно очищены и покрыты лакокрасочными материалами.

Скорость коррозии алюминиевых сплавов меньше, чем стали, в 5— 10 раз. Наиболее опасны для алюминиевых сплавов щелочные раство­ры. Конструкции, находящиеся на открытом воздухе, весьма слабо по­ражаются коррозией. В обычных условиях эксплуатации конструкции из алюминиевых сплавов не нуждаются в защите от коррозии. Конструк­ции, находящиеся в среде высокой агрессивности, покрывают эмалями или лаками. Большую опасность представляют также места соприкосно­вения алюминиевых сплавов с другими материалами (сталь, бетон и др.) Поэтому такие поверхности необходимо тщательно изолировать.

Сортамент

В строительных конструкциях применяют в основном прокатную сталь, поставляемую, с металлургических заводов в виде профилей раз­личной формы поперечного сечения. Для стальных конструкций исполь­зуют листовую и профильную сталь. Профильная сталь подразделяется на сортовую (круг, квадрат, полоса, уголки) и фасонную (двутавры, швел­леры и др.). Широко применяются также вторичные профили: сварные, получаемые сваркой полос или листов, и гнутые, образованные холод­ной гибкой полос и листов (рис. 24.5). Из сплавов алюминия получают также прессованные профили методом экструзии — разогревом сплава до температуры пластичности и продавливанием через фасонные отвер­стия в матрице.

 

Сталь листовая

В настоящее время промышленностью прокатывается толстолисто­вая сталь толщиной 4— 160мм, шириной от 600 до 3800 мм и длиной до 12 At (ГОСТ 19903—74), которая применяется в листовых конструкциях и сплошностенчатых элементах стержневых конструкций (балках, колон­нах).

Сталь тонколистовая толщиной 0,5—4 мм прокатывается холодным и горячим способами (ГОСТ 19904—74 с изменениями, ГОСТ 19903—74 с изменениями). Применяется она для изготовления гнутых и штампо­ванных тонкостенных профилей, профилированных настилов.

Сталь широкополосная универсальная толщиной 6—60 мм (ГОСТ 8200—70) благодаря прокату между четырьмя валками имеет ровные края, фиксированную ширину 200—1050мм. Применение широкополосной ста­ли не требует резки и выравнивания кромок.

Сталь полосовая толщиной 4—60 мм и шириной до 200 мм (ГОСТ 103—76) применяется для изготовления гнутых профилей.

Рифленая сталь с ромбическими или чечевицеобразными выступа­ми толщиной 2,5—8 мм и просечно-вытяжная сталь толщиной 4,5—6 мм ГОСТ 8706—78), получаемая холодной вытяжкой листа с предвари­тельно нанесенными разрезами, применяется для настилов площадок, ступеней лестниц, и т.п.

Профильная сталь

Уголковые профили прокатываются в виде равнополочных (ГОСТ 8509—93) и неравнополочных (ГОСТ 8510—86) уголков. Полки уголков имеют параллельные грани. Уголки находят наиболее широкое приме­нение в решетчатых конструкциях.

Характеристики сечений швеллеров зависят от их номеров, которые соответствуют их высоте в сантиметрах. Швеллеры по ГОСТ 8240—93 высотой 5—40 и имеющие уклоны внутренних граней полок иногда неудобны для конструирования. В ГОСТ входят й швеллеры с па­раллельными гранями полок с буквой П в обозначении, например, 16П, которые более конструктивны.

Швеллеры применяют в качестве прогонов в кровлях зданий, а также для компоновки составных сечений колонн, поясов тяжелых ферм и т.п.

Двутавры наиболее рациональны для применения в элементах, ра­ботающих на изгиб. Балки двутавровые обыкновенные, так же как и швеллеры, имеют уклон внутренних граней полок и обозначаются номе­рами, соответствующими их высоте (10—70см). Балки двутавровые ши­рокополочные (ГОСТ 26020—83, СТО АСЧМ 20—93) имеют параллель­ные грани полок. Широкополочные двутавры прокатывают трех типов: нормальные двутавры (Б), широкополочные двутавры (Ш), колонные двутавры (К). Высота балочных профилей (Б) и (Ш) достигает 1000 мм при отношении ширины полок к высоте от 0,75 (при малых высотах) до 0,3 (при больших высотах). Колонные профили (К) имеют отношение ширины полки к высоте, близкое к единице.

Из широкополочных двутавров путем разрезки стенки в продольном направлении получают тавровые профили. В последнее время производ­ство широкополочных двутавров увеличивается, производство обыкно­венных — сокращается.

Использование автоматической сварки позволяет изготовлять тонко­стенные двутавры из листового проката с более выгодным распределе­нием материала по сечению.

Профили делятся также на два вида: открытые и закрытые (замкну­тые). К замкнутым профилям относятся трубы. Круглые трубы бывают горячекатаные (ГОСТ 8732—78 с изменениями) диаметром 25—550мм и толщиной стенки 2,5—75 мм и электросварные (ГОСТ 10704—91) диа­метром не менее 25 мм и толщиной стенки не менее 2,5 мм.

Гнутые профили

Гнутые профили изготовляют из листа или полосы толщиной от 1 до 8 мм. Наиболее употребительны равнополочные и неравнополочные уголки, швеллеры, С-образные и Z-образные профили. Квадратные н прямоугольные трубы изготовляют на профилегибочном стане с после­дующей заваркой замыкающего шва в потоке стана.

Одним из видов гнутых профилей является профилированный на­стил, изготовляемый на специальных станах, который нашел широкое применение в кровлях и стеновых ограждениях. Для изготовления проф-настила применяют листы толщиной 0,6—1 мм. Чтобы обеспечить кор­розионную стойкость, профнастил изготовляют из оцинкованной стали и поставляют по ГОСТ 2405—94 и ТУ отдельных заводов. Наиболее рас­пространенные типы настилов Н57-750-0.7 и Н75-750-0.8. Здесь первая цифра обозначает высоту волны, вторая — ширину настила, третья — толщину листа.

Листы и профили из алюминиевых сплавов

Строительные профили из алюминиевых сплавов получают прокат­кой, прессованием или литьем. Листы, ленты и плиты прокатываются в горячем или холодном состоянии. Листы прокатывают толщиной до 10,5 мм, шириной до 2000 мм и длиной до 7 м.

Фасонные профили, в том числе и полые (трубчатые), изготовляют горячим прессованием. Продавливая слитки через матрицы различных типов, получают профили практически любых сечений, однако габариты поперечного сечения профиля ограничиваются поперечными размерами матрицы и усилием, развиваемым прессом. Во многих случаях профили вписываются в круг диаметром 320 мм. Для большего развития сечения и повышения устойчивости стержня профили изготовляют с бульбами на концах полок.

Гнутые профили изготовляют из листов и лент толщиной до 4 мм гнутьем их в холодном состоянии.

5 Виды напряжений и их учет при расчете элементов металлических конструкций

Напряжения в зависимости от вида подразделяются на основные, дополнительные, местные и начальные.

Основные напряжения - напряжения, определяемые от внешних воздействий методами, излагаемыми в курсе сопротивления материалов. Основные напряжения определяются по усилиям, установленным для принятой идеализированной расчетной схемы (например, в решетчатых конструкциях - фермах и др., исходя из шарнирного вместо практически жесткого сопряжения стержней в узлах, иногда без учета пространственной. работы системы в целом и т. п.), без учета местных, дополнительных и внутренних напряжений. Искусственно создаваемые предварительные напряжения также относятся к основным.

Поскольку основные напряжения уравновешивают внешние воздействия и определяют несущую способность элементов конструкций, они и выявляются расчетом и по ним в основном судят о надежности конструкций (за исключением особых случаев).

Дополнительные напряжения - напряжения, возникающие в результате дополнительных связей по отношению к принятой идеализированной расчетной схеме- (например, из-за жесткости узлов, дополнительных систем связей и т. п.). Дополнительные напряжения, определямые методами строительной механики, при пластичном материале не оказывают существенного влияния на несущую способность конструкции. Это объясняется тем, что при расчетных нагрузках материал в местах перенапряжения переходит в пластическое состояние, принаступлении которого дополнительные напряжения или уменьшаются, или снимаются. Например, из-за жесткости узлов в элементе решетчатой конструкции возникают помимо осевой силы моменты, которые вызывают Дополнительные напряжения в крайних фибрах. Повышение напряжения приводит к раннему развитию пластических деформаций в фирбах, что, в свою очередь, снижает моменты, а в пределе, при развитии пластических деформаций по всему сечению, узел свободно поворачивается. Благодаря этому предельная нагрузка получается такой же, как и при действии только одной продольной силы. Поэтому дополнительные напряжения не учитываются расчетом (за исключением некоторых специальных случаев).

Местные напряжения могут быть двух видов:

- в результате внешних воздействий;

- в местах резкого изменения или нарушения сплошности сечения, где вследствие искажения силового потока происходит концентрация напряжений.

В первом случае местные напряжения уравновешиваются с внешними воздействиями, во втором - они внутренне уравновешены.

К местным напряжениям, возникающим из-за внешних воздействий, относятся напряжения в местах приложения сосредоточенных нагрузок - на опорах, в местах опирания каких-либо других конструкций, под катками мостовых кранов в подкрановых балках, в местах крепления вспомогательных элементов. Местные напряжения могут привести к развитию чрезмерных пластических деформаций, трещин или к потере устойчивости в тонких элементах сечений (например, стенки двутавра). Местные напряжения этого вида учитывают в расчете.

Начальные напряжения. Начальными называются напряжения, которые имеются в ненагруженном внешней нагрузкой элементе и которые появились в нем в результате неравномерного остывания после прокатки или сварки или в результате предшествующей работы элемента и его пластической деформации, поэтому они называются также внутренними, собственными или остаточными. Начальные напряжения всегда уравновешены, поэтому эпюры их двузначны, а, эпюра /).

 

5 Расчет прочности центрально загруженных стальных элементов сплошного сечения. Учет влияния продольного изгиба.

Расчет на прочность элементов, подверженных центральному растяжению или сжатию силой N, следует проводить по формуле:

N/A_n ≤R_y 〖∙γ〗_c,

где A_n – площадь сечения нетто;

N – продольная сила

R_y – расчетное сопротивление стали растяжению, сжатию, изгибу по пределу текучести

γ_c – коэффициент условия рабаты

Расчет на устойчивость элементов, подверженных центральному сжатию силой N, следует выполнять с учетом коэффициента продольного изгиба по формуле:

N/(φ ∙ A)≤R_y 〖ͨ