1. Строительные стали и алюминиевые сплавы. Группы А.Б.В, маркировка и характеристика малоуглеродистых, низколегированных и высокопрочных сталей.

Малоуглеродистые стали обычной прочности. Из группы малоугле­родистых сталей обыкновенного качества, производимых металлургиче­ской промышленностью по ГОСТ 380—71, с изм., для строительных ме­таллоконструкций применяется сталь марок СтЗ и СтЗГпс.

Сталь марки СтЗ производится кипящей, полуспокойной и спокой­ной. Малоуглеродистые стали хорошо свариваются. В зависимости от назначения сталь поставляется по следующим трем группам:

А — по механическим свойствам;

Б — по химическому составу;

В — по механическим свойствам и химическому составу.

Поскольку для несущих строительных конструкций необходимо обе­спечить прочность и свариваемость, а также надлежащее сопротивление хрупкому разрушению и динамическим воздействиям, сталь для этих конструкций заказывается по группе В, т.е. с гарантией механических свойств и химического состава.

Сталь марки СтЗ содержит углерода 0,14—0,22 %,'марганца в кипя­щей стали — 0,3—0,6%, в полуспокойной и спокойной — 0,4—0,65%, кремния в кипящей стали от следов — до 0,07%, в полуспокойной — 0,05—0,17 %, в спокойной —0,12—0,3 %. Сталь марки СтЗГпс с повышен­ным содержанием марганца имеет углерода 0,14—0,22 %, марганца 0,8—1,1, %, кремния до 0,15 %.

В зависимости от вида конструкций и условий их эксплуатации к стали, из которой они изготавливаются, предъявляются те или другие требования по ГОСТ 380—71 (с изм.). Углеродистая сталь разделена на шесть категорий. Для всех категорий стали марок ВСтЗ и ВСтЗГпс требуется, чтобы при поставке гарантировались химический состав, временное сопротивление, предел текучести, относительное удлинение, из­гиб в холодном состоянии. Требования ударной вязкости для каждой категории различны {табл. 2.2).

Кипящая сталь изготовляется по 2-й категории — ВСтЗкп2, полуспо­койная— по 6-й категории — ВСтЗпсб, спокойная и* полуспокойная с по­вышенным содержанием марганца — по 5-й категории — ВСтЗсп5 и ВСтЗГпс5.

Маркировка стали согласно ГОСТ 380—71 (с изм.): вначале ставит­ся соответствующее буквенное обозначение группы поставки, затем марки, далее степень раскисления и в кон­це категория, например обозначение ВСтЗпсб.

ГОСТ 23570—79 «Прокат из стали углеродистой свариваемой для строи­тельных металлических конструкций» ограничивает содержание азота, мы­шьяка, устанавливает более строгий контроль механических свойств.

В обозначение    марки    стали    по ГОСТ 23570—79 входят содержание уг­лерода в сотых долях процента,    сте­пень раскисления и при    повышенном содержании   марганца   буква Г. Про­кат изготовляют из сталей 18кп, 18пс, 18сп, 18Гпс и 18Гсп.   По сравне­нию с ГОСТ 380—71   (с изм.) несколько повышены прочностные харак­теристики проката.

Значительная часть проката имеет механические свойства сгт, ов вы­ше установленных ГОСТ 380—71 (с изм.). Институтом электросварки им. Е. О. Патона в целях экономии металла прокат из углеродистой стали марок СтЗ, СтЗГпс и низколегированной стали марок 09Г2 и 09Г2С предложено дифференцировать по прочности на 2 группы с минимальны­ми и повышенными показателями прочности, так, для стали ВСтЗ 1-й группы принято <тт = 250—260 МПа, а для 2-й группы от = 280—290 МПа (см. рис. 2.3), временное сопротивление отрыву ав повышено на 20— 30 МПа. Прокат из такой стали поставляется по ТУ 14-1-3023-80 «Про­кат листовой, широкополосный универсальный и фасонный из углероди­стой и низколегированной стали с гарантированным уровнем механиче­ских свойств, дифференцированным по группам прочности».

Стали повышенной прочности. Сталь повышенной прочности можно получить как термической обработкой малоуглеродистой стали, так и легированием.

Малоуглеродистая термически обработанная сталь марки ВстТ по­ставляется по ГОСТ 14637—79. Эта сталь получается термической обра­боткой стали СтЗ кипящих, полуспокойных и спокойных плавок. Для ме­таллических конструкций рекомендуются стали полуспокойной и спокойной плавок; стали кипящие как весьма неоднородные не рекомен­дуются.

Сталь марки ВСтТпс имеет предел текучести 295 МПа, временное сопротивление 430 МПа. Показатели ударной вязкости этой стали вы­ше, чем показатели.стали СтЗ (0,35 МДж/м2 при температуре —40°С).

Повышенная прочность низколегированных сталей получается введе­нием марганца, кремния, хрома, никеля, меди, ванадия. При этом неко­торые марки стали подвергаются термическому упрочнению. Подбор ле­гирующих элементов обеспечивает хорошую свариваемость. Прокат из этих сталей поставляется по ГОСТ 19281—73 «Сталь низколегированная сортовая и фасонная», по ГОСТ 19282—73 «Сталь низколегированная толстолистовая и широкополосная универсальная» и различным техни­ческим условиям.

В зависимости от нормируемых свойств (химического состава, вре­менного сопротивления, предела текучести, ударной вязкости при разных температурах и после механического старения)" согласно ГОСТу эти стали подразделяются на 15 категорий.

Основные марки сталей повышенной прочности приведены в табл. 2.1.

За счет более высоких прочностных характеристик применение ста­лей повышенной прочности приводит к экономии металла до 20—25 %.

Сталь высокой прочности. Прокат из стали с пределом текучести 440 МПа и временным сопротивлением 590 МПа и выше получают пу­тем легирования и термической обработки (см. табл. 2.1).

При сварке термообработанных сталей вследствие неравномерного нагрева и быстрого охлаждения в разных зонах сварного соединения происходят различные структурные превращения. На одних участках образуются закалочные структуры, обладающие повышенной прочностью и хрупкостью (жесткие прослойки), на других металл подвергается вы­сокому отпуску и имеет пониженную прочность и высокую пластичность (мягкие прослойки).

Разупрочнение стали'в околошовной зоне может достигать 5—30%, что необходимо учитывать при проектировании сварных конструкций из термообработанных сталей.

Введение в состав стали некоторых карбидообразующих элементов (молибден, ванадий) снижает эффект разупрочнения.

Применение сталей высокой прочности приводит к экономии метал­ла на 25—30 % по сравнению с конструкциями из малоуглеродистых ста­лей и особенно целесообразно в большепролетных и тяжело нагружен­ных конструкциях.

Атмосферостойкие стали. Для повышения коррозионной стойкости металлических конструкций применяют низколегированные стали, содер­жащие в небольшом количестве (доли процента) такие элементы, как хром, никель и медь.

В конструкциях, подвергающихся атмосферным воздействиям, весь­ма эффективны стали с добавкой фосфора (например, стали ЮХНДПи 10ХДП). На поверхности таких сталей образуется тонкая окисная плен­ка, обладающая достаточной прочностью и защищающая металл от раз­вития коррозии. Однако свариваемость стали при наличии фосфора ухудшается. Кроме того, в прокате больших толщин металл обладает пониженной хладостойкостью, поэтому применение сталей 10ХНДП и 10ХДП рекомендуется при толщинах не более 16 мм. В больших (12— 50 мм) толщинах следует применять сталь 12ХГДАФ.

В конструкциях, совмещающих несущие и ограждающие функции (например, мембранные покрытия), широко применяется тонколистовой прокат. Для повышения долговечности таких конструкций целесообраз­но применение нержавеющей хромистой стали марки ОХ18Т1Ф2, не со­держащей никеля. Механические свойства стали ОХ18Т1Ф2: 0В™ = 500 МПа, ат = 360 МПа, 65^33 %. В больших толщинах прокат из хромистых сталей обладает повышенной хрупкостью, однако свойства тонколистового проката (особенно толщиной до 2 мм) позволяют при­менять его в конструкции при расчетных температурах до —40°С.

Выбор марок сталей для строительных металлических конструкций. Марку стали выбирают на основе вариантного проектирования и техни­ко-экономического анализа с учетом СНиП П-23-81. В целях упрощения заказа металла при выборе марки стали следует стремиться к большей унификации конструкций, сокращению количества марок и профилей. Выбор марки стали для строительных конструкций зависит от следую­щих параметров, влияющих на работу материала:

температуры среды, в которой монтируется и эксплуатируется конст­рукция; этот фактор учитывает повышенную опасность хрупкого разру­шения при пониженных температурах;

характера нагружения, определяющего особенность работы матери­ала и конструкций при динамической, вибрационной и переменной на­грузках;

вида напряженного состояния   (одноосное    сжатие или растяжение плоское или объемное напряженное состояние)' и уровня возникающих напряжений   (сильно или слабо нагруженные элементы);

способа соединения элементов, определяющего уровень собственных напряжений, степень концентрации напряжений и свойства материала в зоне соединения;

толщины проката, применяемого в элементах. Этот фактор учитыва­ет изменение свойств стали с увеличением толщины.

В зависимости от условий работы материала все виды конструкций разделены на четыре группы в соответствии со СНиП П-23-81.

К первой группе отнесены сварные конструкции, работающие в особо тяжелых условиях или подвергающиеся непосредственному воздействию динамических, вибрационных или подвижных нагрузок (например, под­крановые балки, балки рабочих площадок или элементы эстакад, непо­средственно воспринимающих нагрузку от подвижных составов, фасон-ки ферм и т.д.). Напряженное состояние таких конструкций характери­зуется высоким уровнем и большой частотой загружения.

Конструкции первой группы работают в наиболее сложных услови­ях, способствующих возможности их хрупкого или усталостного разру­шения, поэтому к свойствам сталей для этих конструкций предъявляют­ся наиболее высокие требования.

Ко второй группе относятся сварные конструкции, работающие на статическую нагрузку при воздействии одноосного и однозначного двух­осного поля растягивающих напряжений (например, фермы, ригели рам, балки перекрытий н покрытий и другие растянутые, растянуто-из­гибаемые и изгибаемые элементы), а также конструкции первой груп­пы при отсутствии сварных соединений.

Общим для конструкций этой группы является повышенная опас­ность хрупкого разрушения, связанная.с наличием поля растягивающих напряжений. Вероятность усталостного разрушения здесь меньше, чем для конструкций первой группы.

К третьей группе отнесены сварные конструкции, работающие при преимущественном воздействии сжимающих напряжений {например, ко­лонны, стойки, опоры под оборудование и другие сжатые и сжато-изги­баемые элементы), а также конструкции второй группы при отсутствии сварных соединений.

В четвертую группу включены вспомогательные конструкции и эле­менты (связи, элементы фахверка, лестницы, ограждения и т.п.), а так­же конструкции третьей группы при отсутствии сварных соединений.

Если для конструкций третьей и четвертой групп достаточно огра­ничиться требованиями к прочности при статических нагрузках, то для конструкций первой и второй групп важным является оценка сопротив­ления стали динамическим воздействиям и хрупкому разрушению.

В материалах для сварных конструкций обязательно следует оцени­вать свариваемость. Требования к элементам конструкций, не имеющих сварных соединений, могут быть снижены, так как отсутствие полей сва­рочных напряжений, более низкая концентрация напряжений и другие факторы улучшают их работу.

В пределах каждой группы конструкций в зависимости от темпера­туры эксплуатации к сталям предъявляются требования по ударной-вяз­кости при различных температурах.

В СНиП П-23-81 содержится перечень марок сталей в зависимости от группы конструкций и климатического района строительства.

Окончательный выбор марки стали в пределах каждой группы дол­жен выполняться на основании сравнения технико-экономических пока­зателей (расхода стали и стоимости конструкций), а также с учетом за­каза металла и технологических возможностей завода-изготовителя. В составных конструкциях (например, составных балках, фермах и т. п.) экономически целесообразно применение двух марок стали — более вы­сокой прочности для сильно нагруженных элементов (пояса ферм, ба­лок) и меньшей прочности для слабо нагруженных элементов (решет­ка ферм, стенки балок).

Алюминиевые сплавы

Алюминий по своим свойствам существенно отличается от стали. Плотность его р = 2,7 т/м3, т. е. почти в три раза меньше плотности ста­ли. Модуль продольной упругости алюминия £ = 71 000 МПа, модуль сдвига (7 = 27000 МПа, что примерно в три раза меньше, чем модуль продольной упругости и модуль сдвига стали. Алюминий не имеет пло­щадки текучести; прямая упругих деформаций непосредственно перехо­дит в кривую упругопластических деформаций (рис. 2.4). Алюминий очень пластичен; удлинение при разрыве достигает 40...50 %, но проч­ность его весьма низка ов —60...70 МПа, а условный предел текучести OQ,2 = 20...30 МПа. Чистый алюминий быстро покрывается очень прочной окисной пленкой, препятствующей дальнейшему развитию коррозии.

Вследствие весьма низкой прочности технически чистый алюминий в строительных конструкциях применяется весьма редко. Значительное увеличение прочности алюминия достигается путем легирования его магнием, марганцем, медью, кремнием, цинком и некоторыми другими элементами.

Временное сопротивление легированного алюминия (алюминиевых сплавов) в зависимости от состава легирующих добавок в 2—5 раз вы­ше, чем технически чистого; однако относительное удлинение при этом соответственно в 2—3 раза ниже. С повышением температуры прочность алюминия снижается и при температуре свыше 300 °С близка к нулю (рис. 2.5).

Особенностью ряда многокомпонентных сплавов А1—Mg—Si; Al — —Си—Mg; A)—Mg—Zn) является их способность к дальнейшему уве­личению прочности в процессе старения после термической обработки; такие сплавы называются термически упрочняемыми.

Временное сопротивление некоторых высокопрочных сплавов (систе­мы Al—Mg—Zn) после термической обработки и искусственного старе­ния превышает 400 МПа; относительное удлинение при этом составляет всего 5—10 %. Термическая обработка сплавов двойной композиции (А!—Mg, Al—Mn) к упрочнению не приводит; такие сплавы получили название термически неупрочняемые.

Повышение предела текучести <70,2 изделий из этих сплавов в 1,5— 2 раза может быть достигнуто холодной деформацией (нагартовкой).от-' носительное удлинение при этом также существенно снижается. Следу­ет отметить, что показатели всех основных физических свойств сплавов вне зависимости от состава легирующих элементов и состояния (соста­ренное, нагартованное) практически не отличаются от таковых для чис­того алюминия.

Коррозионная стойкость сплавов зависит от состава легирующих до­бавок, состояния поставки и степени агрессивности внешней среды.

Полуфабрикаты из алюминиевых сплавов (листы, профили, трубы и т. п.) поставляются с заводов в соответствии с установленными стан­дартами. Состояние поставки указывается в обозначении после марки сплава: ГП — горячекатаное; М — мягкое (отожженное); Н — нагарто­ванное; I/2H — полунагартованное для листов или П — то же, для про­филей и труб; Т — закаленное и естественно состаренное в течение 3— 6 сут при комнатной температуре; Т1—закаленное и искусственно со­старенное в'течение нескольких часов при повышенной температуре; Т5— не полностью закаленное и искусственно состаренное.

Из большого числа марок алюминия к применению в строительстве рекомендуется всего шесть, некоторые из которых в нескольких состоя­ниях поставки:

термически неупрочняемые сплавы: АД1М и АМцМ (листы); АМг2М и АМг21/2Н (листы); АМг2М (трубы);

термически упрочняемые сплавы: АД31Т (профили и трубы); АД31Т1 и АДЗГГ5 (профили); 1915ГП и 1915Т (профили и трубы); 1925ГП и 1925Т (профили и трубы).

Все указанные выше сплавы, за исключением сплава 1925Т, который используется только для клепаных конструкций, хорошо свариваются.

Конструкции из алюминия благодаря малой массе, стойкости про­тив коррозии, хладостойкости, антимагнитности, отсутствию искрообра-зования, долговечности и хорошему виду имеют перспективу применения во многих областях строительства. Однако из-за высокой стоимости алюминиевых сплавов применение их в строительных конструкциях ог­раничено.

3. Подбор сечения прокатных балок

Расчет на прочность прокатных балок, изгибаемых в одной из глав­ных плоскостей, производится по изгибающему моменту

Поэтому требуемый момент сопротивления балки «нетто» можно опре­делить по формуле

где R — расчетное сопротивление стали по изгибу; у — коэффициент условий работы конструкции.

Выбрав тип профиля балки по требуемому моменту сопротивления, по сортаменту подбирают ближайший больший номер балки. Для раз­резных балок сплошного сечения из'стали с пределом текучести до 580 МПа, находящихся под воздействием статической нагрузки, обеспечен­ных от потери общей устойчивости и ограниченной величине касатель­ных напряжений в одном сечении с наиболее неблагоприятным сочета­нием М и Q, следует использовать упругопластическую работу материа­ла и проверять их прочность по формулам:

при изгибе в одной из главных плоскостей и

при изгибе в двух главных плоскостях и

где Мтлх,Мх,Му — значения изгибающих моментов; при т<0,5/?Ср с\ = с; при 0,5/?ср<: <Ст<:0,9Яср Ci=l,05pc; c,cx,cy принимаются по прил. 5; перерасчетное сопротивление срезу (сдвигу); Й/Нт, ^Увт, W^-нт — моменты сопротивления сечения нетто относитель­но главных осей; р= V [1 — (т/#ср)г]/[1— а(т//?ср)г1 н T==Q/t/i; « = 0,7 для двутавро­вого сечения, изгибаемого в плоскости стенки, а=0 для других типов сечений.

При наличии зоны чистого изгиба в формулах (7.10) и (7,11) вместо коэффициентов с\, сх и су следует принимать:

Для случая учета упругопластической работы при изгибе балки в одной из главных плоскостей подбор сечений можно производить по требуемому моменту сопротивления нетто по формуле

Подобранное сечение проверяют на прочность от действия касатель­ных напряжений по формуле

где  Qma* — наибольшая  поперечная  сила  на  опоре;   S и  / — статический  момент и момент инерции сечения; /ст — толщина стенки балки.

Помимо проверок прочности балки необходимо в местах с больши­ми нормальными напряжениями проверять их общую устойчивость (см. гл. 3) .

Устойчивость балок можно не проверять при передаче нагрузки че­рез сплошной жесткий настил, непрерывно опирающийся на сжатый пояс балки и надежно с ним связанный, а также при отношении рас­четной длины участка балки между связями, препятствующими попе­речным смещениям сжатого пояса балки /о к его ширине Ь, не превы-шающем:

При недостаточном закреплении сжатого пояса балки ее общую ус­тойчивость проверяют по формуле

где   Wc — момент сопротивления для сжатого пояса; Y— 0,95 — коэффициент условий работы при проверке общей устойчивости балок.

Для балок двутаврового сечения с двумя осями симметрии <рб = ф1 при $i<0,85 и фб — 0,68+0,21 ф, при ф!>0,85. В этом случае критичес­кие напряжения потери устойчивости находятся в зоне упругопластиче­ской работы материала и определяются по формуле

где коэффициент ф принимают по прил, 6 в зависимости от закрепле­ния балки, вида и места приложения нагрузки и параметра а, характе­ризующего сечение. Для двутавровых балок с двумя осями симметрии при двух и более закреплениях сжатого пояса в пролете, делящих про­лет на равные части, при любом виде нагрузки, приложенной к любому из поясов, коэффициент 4> = 2, 25 + 0,07 а при 0 Для прокатных двутавров

— момент инерции сечения при кручении.

Проверка устойчивости балок швеллерного и других типов сечений имеет свои особенности и должна проводиться в соответствии с указа­ниями СНиП.

Если при проверке выясняется, что общая устойчивость балки не обеспечена, то следует уменьшить расчетную длину сжатого пояса,

Проверка местной устойчивости поясов и стенки прокатных балок не требуется, так как она обеспечивается их толщинами, принятыми из условий проката.

4. КОМПОНОВКА И ПОДБОР СЕЧЕНИЯ СОСТАВНЫХ БАЛОК

Балки составного сечения применяют в случаях, когда прокатные балки не удовлетворяют условиям прочности, жесткости, общей устой-чивости, т. е. при больших пролетах и больших изгибающих моментах, а также если они экономичнее. Основные типы сечений составных ба-лок показаны на рис. 7.2, в, г.

Составные балки применяют, как правило, сварными. Сварные бал­ки экономичнее клепаных. Их сечение обычно состоит из трех листов: вертикального — стенки и двух горизонтальных — полок, которые сва­ривают на заводе автоматической сваркой. Для балок под тяжелую подвижную нагрузку (большие подкрановые балки) иногда применяют клепаные балки, состоящие из вертикальной стенки, поясных уголков и одного — трех горизонтальных листов. Клепаные балки тяжелее свар-ных и более трудоемки в изготовлении, но их применение оправдывают благоприятная работа под большими динамическими и вибрационными нагрузками, а также относительная легкость образования мощных по­ясов.

Для экономии материала в составных балках изменяют сечения по Длине в соответствии с эпюрой изгибающих моментов. Упругопластическая работа материала в таких балках (см. гл. 3) допускается с теми же ограничениями, что и для прокатных балок.

Задача компоновки сечений составных балок вариантна, и от ее пра­вильного решения во многом зависят экономичность и технологичность балок. Начинать компоновку сечения надо с определения высоты балки, от которой зависят все остальные параметры балок.

Высота балок

Высота балки определяется экономическими соображениями, мак­симально допустимым прогибом балки и в ряде случаев строительной высотой конструкции перекрытия, т. е. разностью отметок верха на­стила и верха помещения под перекрытием. Обычно строительная вы-сота задается технологами или архитекторами.

Наибольшая высота Лопт в большинстве случаев диктуется экономи­ческими соображениями.

Масса балки состоит из массы ее поясов, стенки и некоторых конст­руктивных элементов, учитываемых конструктивным коэффициентом, причем с увеличением высоты балки масса поясов уменьшается, а мас­са стенки увеличивается (рис. 7.10).

Так как функции массы поясов и стенки с изменением высоты балки изменяются неодинаково — одна убывает, а другая возрастает (как это

видно из рис. 7.10), то должно быть наи­меньшее значение суммы обеих функций, т. е. должна быть высота, при которой суммарный вес поясов и стенки будет наименьшим. Высота эта называется оп­тимальной йопт, так как она определяет наименьший расход материала на балку. Определить оптимальную высоту балки можно следующим образом.

Полная масса 1  м длины балки рав­на массе поясов и стенки                                            где с—доля момента, воспринимаемого поясами балки; М — расчетный момент, дей­ствующий на балку; R — расчетное сопротивление материала балки; Л — высота бал­ки; /от — толщина стенки балки; фс —'• конструктивный коэффициент поясов (коэффи­циент перехода от теоретической площади пояса к действительной); фст — конструк­тивный коэффициент стенки; р — плотность металла.

Определяя минимум массы балки, берем производную от выраже­ния массы балки по ее высоте и приравниваем ее нулю:

отсюда, заменяя М/К= W, получим

'Коэффициент k зависит от конструктивного оформления балки — конструктивных коэффициентов поясов и стенки. Из-за ослабления се­чения заклепочными отверстиями эти коэффициенты для клепаных ба­лок больше, для сварных — меньше. Этот коэффициент в балках пере­менного по длине сечения меньше, чем в балках постоянного сечения, так как он является средним коэффициентом, отнесенным к наиболее напряженному сечению балки. Величину коэффициента рекомендуется принимать для сварных балок равной 1,2...1,15, для клепаных —

Приведенный вывод не является строгим, так как он не учитывает изменения соотношений между высотой и толщиной стенки в балках различной высоты, а следовательно, и изменения коэффициента с рас­пределения момента между стенкой и поясами балки.

Между тем из формулы (7.20) ясно, что соотношение между высо­той балки и толщиной стенки оказывает большое влияние на экономич­ность сечения; при этом чем относительно тоньше стенка, тем больше высота и выгоднее сечение балки,

К. К. Муханов вывел зависимость оптимальной высоты балки от заданной гибкости стенки

где   — гибкость стенки.

Однако практическое значение гибкости стенки ограничивается не­обходимостью обеспечить ее устойчивость и ее прочность на действие касательных напряжений.

Практикой проектирования установлены рекомендуемые соотноше­ния высоты балки и толщины стенки, приведенные в табл. 7.2, Для од-

нопролетных балок пролетом 12 — 16 м часто принимают £Ст=10— 12 мм.

Полученная оптимальная высота балки является наиболее рацио­нальной, так как отступление высоты от Нопт вызовет увеличение расхо­да материала на балку.

Можно отметить, что в балке оптимальной высоты масса стенки рав­на массе поясов балки. При выборе высоты балки следует помнить, что функция массы балки в области своего минимума, определяющего Лопт, меняется мало, а потому отступления от /гопт возможны. Так, от­ступление действительной высоты от оптимальной на 20 % приводит к изменению массы балки примерно на 4 % (рис. 7.10).

Наименьшая рекомендуемая высота балки hmin определяется жест­костью балки — ее предельным прогибрм (второе предельное состоя­ние).

Минимальную высоту балки можно получить из формулы прогиба. Для равномерно распределенной по длине балки нагрузки

где рп и gB — временная (с учетом в необходимых случаях динамического коэффи­циента) и постоянная нормативные нагрузки на единицу длины балки (без коэффи­циента перегрузки); / — пролет балки; El — жесткость балки на изгиб.

Подставляя   в   формулу   прогиба      получим    / —

С другой стороны известно,    что    M = WG(P+g)    и   I—W(h/2),   где — напряжения в балке от нагрузок £H-fgH. Поэтому после   под­становки этих выражений в формулу прогиба получим

Пользуясь законом независимости действия сил,    получаем напря­жение от действия нормативных нагрузок

где Я —расчетное сопротивление материала балки; пр  и пе — соответствующие коэф­фициенты перегрузок.

Отношение прогиба балок к их пролету [///] регламентируется нор­мами в зависимости от назначения балки. Используя это, получаем для балки, равномерно нагруженной по длине,

Для балок, использующих упругопластическую работу материала, ми­нимальная высота будет

Использование формулы прогиба, выведенной для упругой работы ма­териала, в данном случае возможно, так как прогиб определяется от действия нормативной нагрузки, а сечение балки подбирается от действия расчетной нагрузки, причем коэффициент перегрузки п всегда больше коэффициента учета упругопластической работы материала (с\] и, сле­довательно, материал балки при нормальной эксплуатации всегда ра­ботает упруго.

Минимальная высота балки обеспечивает необходимую жесткость при полном использовании несущей способности материала.

При других видах нагрузки на балку (кроме подкрановых балок) hmin можно приближенно определять по формуле, (7. 21).

Из формулы (7.21) видно, что необходимая высота балки увеличи­вается с ростом прочности материала и уменьшением допустимого про­гиба.

Если полученную по формуле (7.21) высоту балки по каким-либо соображениям нельзя принять, то требуемую норму прогиба можно удовлетворить, лишь снижая расчетное сопротивление материала, при­нимая менее прочный материал или неполностью используя его несу­щую способность.

Выбор высоты балки. Закономерности изменения высоты балки по­казывают, что наиболее целесообразно принимать высоту балки близ­кой к /гопт, определенной из экономических соображений, и не меньшей ftmi,», установленной из условия допустимого прогиба балки. Естествен­но, что во всех случаях принятая высота балки в сумме с толщиной на­стила не должна превышать заданную строительную высоту перекрытия.

Высоту балки также следует согласовывать с размерами ширины листов по сортаменту. Желательно, чтобы стенка по высоте выполня­лась из одного листа шириной не более 2000—2200 мм. Если необходи­ма стенка большей высоты, приходится усложнять конструкцию балки устройством продольного стыка стенки.

Во всех случаях высоту составной балки в целях унификации кон­струкций рационально принимать в круглых числах, кратных 100 мм.

Толщина стенки

После высоты балки толщина стенки является вторым основным па­раметром сечения, так как она сильно влияет на экономичность сечения составной балки.

Для определения наименьшей толщины стенки из условия ее ра­боты на касательные напряжения можно воспользоваться формулой Н. Г. Журавского

В балке оптимального сечения с площадью поясов, равной площади стенки, плечо внутренней пары составит

Подставляя это соотношение //5 в формулу Н. Г. Журавского и де­лая преобразования, получаем

При опирании разрезной сварной балки с помощью опорного ребра, приваренного к торцу балки (см. рис. 7.28, б), можно считать, что в опорном сечении балки на касательные напряжения работает только стенка, а пояса еще не включались в работу сечения балки. Тогда пле­чо внутренней пары

Для этого случая толщина стенки

В балках симметричного сечеция, работающих с учетом развития пла­стических деформаций и не нагруженных местной нагрузкой, ам=0; при выполнении условий: т^0,9 /?ср; ЛПМСТ^0,25 и 2,2<ТСТ<6 необхо­димо проверить несущую способность балки из-за возможной потери устойчивости стенки, работающей с учетом пластических деформаций, по формуле

где  среднее касательное на­пряжение в стенке в месте проверки балки; у — коэффициент условий работы кон­струкции.

Чтобы обеспечить местную устойчивость стенки без дополнительного укрепления ее продольным ребром, необходимо иметь Яст<;5,5: тогда

В балках высотой более 2 м это упрощение конструктивной формы экономически не оправдано, так как стенки получаются чрезмерно тол­стыми. В высоких балках толщина стенки берется меньшей и достигает 1/200 — 1/250 высоты, что требует укрепления стенки, способного обес­печить ее устойчивость.

Таким образом, задача определения толщины стенки оказывается вариантной, влияющей на экономичность сечения балки и требующей очень внимательного к себе отношения.

Для балок высотой 1 — 2 м рациональное значение толщины стенки можно определить по эмпирической формуле

Толщина стенки должна быть согласована с имеющимися толщина­ми проката листовой стали. Обычно минимальную толщину стенки при­нимают не менее 8 мм (очень редко 6 мм) и назначают при толщине до 12 мм кратной 1 мм, а более 12 мм кратной 2 мм. Если принятая по фор­муле (7.20) толщина стенки отличается от полученной по формулам (7.23) или (7.22) на 2 мм и более, следует в формулу (7.20) подставить определенную из условия скалывания толщину стенки и вновь вычислить

 Поясные уголки балок с поясными соединениями на заклепках и высокопрочных болтах

Б состав пояса таких балок входят поясные уголки, которые обычно принимают равнополочными (см. рис. 7.2, г). Калибр уголков (ширина их полок йуг) устанавли­вают в зависимости от мощности балки ы способа передачи нагрузки на нее.

Для балок средней высоты 1 — 2 м.

Толщину поясных уголков удобно принимать равной толщине стенки tyt = tc-r, так как это облегчает устройство монтажных стыков.

При наличии в составе сечения балки горизонтальных листов необходимо, чтобы поясные уголки обеспечивали надежную передачу усилий пояса на стенку. Для этого площадь сечения двух уголков пояса рекомендуется принимать не менее 30 % всей площади сечения пояса.

Горизонтальные листы поясов

В сварных балках пояса обычно принимают из одиночных листов универсальной стали. Изготовлять пояса из двух и более листов в свар­ных балках нерационально, так как, скрепляя между собой листы по краям фланговыми швами, мы увеличиваем неравномерность работы листов из-за роста длины передачи усилий от стенки к наружным лис­там. Резко увеличивается при этом и число сварных швов. Кроме того, неизбежно образование щелей между свариваемыми толь­ко по краям листами.

Толщину горизонтального поясного ли-ста сварной балки обычно принимают не более 2 — 3 толщин стенки, так как в пояс-ных швах при приваривании толстых пояс­ных листов к стенке развиваются значитель­ные усадочные растягивающие напряже­ния. Применение поясных листов толщиной более 30 мм нерационально еще и потому, что толстые листы имеют пониженные зна­чения предела текучести и, следовательно, пониженные расчетные сопротивления (см. гл. 2).

В клепаных балках и в балках на высокопроч­ных болтах в отличие от сварных часто применя­ют пакеты из двух-трех горизонтальных листов, так как в многолистовом пакете, стянутом по всей ширине заклепками или болтами, листы работают

достаточно слитно. Толщину отдельных горизонтальных листов из условия удобства конструирования монтажного стыка обычно принимают равной толщине поясных уголков.

Ширину горизонтальных листов обычно принимают равной Vs — Vs высоты балки из условия обеспечения ее общей устойчивости.

По конструктивным соображениям ширину пояса не следует прини­мать меньше 180 мм или"*А/10.

Для клепаных балок и балок на болтах желательно также, чтобы горизонтальные листы несколько выступали за наружные грани поясных уголков.

Наибольшую ширину горизонтальных листов определяют их местной устойчивостью и равномерностью работы по ширине.

В балках отношение ширины свеса сжатого пояса &св к его толщине tn не должно превышать:

в сечениях, работающих упругости

в сечениях, работающих с учетом развития пластических деформации.

где ha — расчетная высота балки; t0t — толщина стенки балки.

Для растянутых поясов балок не рекомендуется принимать ширину поясов более 30 толщин пояса из условия равномерного распределения напряжений по ширине полки.

Подбор сечения балок

Подбор сечения состоит в определении размеров поясов и стенки балки, исходя из заданных технологическим заданием условий, эконо­мичности, прочности, устойчивости и технологичности изготовления.

Изменение сечения балки по длине

Сечение составной балки, подобранное по максимальному изгибаю­щему моменту, можно уменьшить в местах снижения моментов (в раз­резных балках — у опор). Однако каждое изменение сечения, дающее экономию материала, несколько увеличивает трудоемкость изготовле-

ния балки, и потому оно экономически целесообразно только для балок пролетом 10—12 м и более.

Изменить сечение балки можно, уменьшив ее высоту или сечение поясов (рис. 7.13), Изменение сечения уменьшением высоты стенки балки (см. рис. 7.13, а) более сложно, может потребовать увеличения толщины -стенки для восприятия касательных напряжений, а потому применяется редко.

Сечение балки можно изменить уменьшением ширины или толщины пояса. В сварных балках распространено изменение ширины пояса (см. рис. 7.13, б), высота балки при этом сохраняется постоянной (верхний пояс гладкий и возможны как поэтажное опирание балок, поддержива­ющих настил, так и укладка рельса подкрановой балки); менее удобно изменять толщину пояса, так как балка оказывается неодинаковой вы­соты (см. рис. 7.13, и), при этом усложняется и заказ стали.

В клепаных балках и балках с поясными соединениями на высоко­прочных болтах сечения изменяют уменьшением или увеличением числа горизонтальных листов (см. рис. 7.13, г).

В разрезных сварных балках пролетом до 30 м принимается одно изменение сечения пояса (по одну сторону от оси симметрии балки по длине). Введение второго изменения сечения поясов экономически не­целесообразно, так как дает дополнительную экономию материала лишь на 3—4 %. Более значительной экономии стали можно достигнуть путем непрерывного изменения ширины поясов (см. рис. 7.13, д), полу­чаемого диагональным раскроем широкополосной стали кислородной резкой. Однако оно связано с увеличением трудоемкости изготовления балки и применяется редко.

При равномерной нагрузке наивыгоднейшее по расходу стали место изменения сечения поясов однопролетной сварной балки находится на расстоянии примерно ]/е пролета балки от опоры; Действующий в этом месте момент может быть найден графически по эпюре моментов или по формуле

В балках переменного сечения развитие пластических деформаций следует учитывать только в одном сечении с наиболее неблагоприятным сочетанием М и Q, в остальных сечениях развитие пластических дефор­маций не допускается.

По моменту MI (x) определяют необходимый момент сопротивления сечения балки исходя из упругой работы материала и подбирают новое

сечение поясов. Ширина поясов при этом должна отвечать следующим условиям:

Возможен и другой подход. Задают ширину поясного листа уменьшен­ного сечения и определяют изгибающий момент, который может вос­принять сечение:

при M(xf=Mi находят расстояние х от опоры, где изменяется сечение пояса.

Стык различных сечений пояса может быть прямым или косым. Прямой шов удобнее, но он будет равнопрочен основному металлу в растянутом поясе только при обязательном выводе концов шва на под­кладки и автоматической сварке или при ручной сварке с применением физических методов контроля. Иногда, желая упростить стык растяну­того пояса балки, делают его прямым с ручной или полуавтоматической сваркой без применения сложных методов контроля шва. В этом случае уменьшенное сечение пояса балки принимают из условия прочности стыкового шва на растяжение.

В балках с поясными соединениями на заклепках или болтах сече­ния изменяют количеством поясных листов.

5. ПРОЕКТИРОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ СОСТАВНЫХ БАЛОК

Соединение поясов балки со стенкой

Соединение поясов составной балки со стенкой осуществляют в сварных балках поясными швами, в клепаных и болтовых — поясными заклепками или болтами (рис. 7.23).

При изгибе балки это соединение предотвращает сдвиг поясов осно-сительно стенки балки (рис. 7.23, а), который был бы при раздельной самостоятельной работе элементов балки на изгиб. Такое соединение поясов со стенкой превращает все сечение в монолитно работающее. В сварных балках, работающих без учета пластических деформаций, при хорошей обеспеченности местной устойчивости стенки, когда значе­ния левой части формул {7.46), (7.47), (7.50), (7.54) не превышают 0,9у, возможно применение односторонних поясных швов. В балках, ра­ботающих с учетом пластических деформаций, применение односторон­них поясных швов не допускается.

2. Стыки балок

Различают два типа стыков балок: заводские и монтажные (укруп-нительные).

Заводские стыки представляют собой соединения отдельных частей какого-либо элемента балки (стенки, пояса), выполняемые из-за недо­статочной длины имеющегося проката. Их расположение обусловлено длиной проката или конструктивными соображениями (стык стенки не должен совпадать с местом примыкания вспомогательных балок, с реб­рами жесткости и т.п.). Чтобы ослабление сечения балки заводским стыком было не слишком велико, стыки отдельных элементов обычно располагают в разных местах по длине балки, т. е. вразбежку.

Монтажные стыки выполняются при монтаже, они необходимы тог­да, когда масса или размеры балки не позволяют перевезти и смонти­ровать ее целиком. Расположение их должно предусматривать членение балки .на отдельные отправочные элементы, по возможности одинаковые (в разрезной балке стык располагают в середине пролета или симмет­рично относительно середины балки), удовлетворяющие требованиям транспортирования и монтажа наиболее распространенными средст­вами,

В монтажных стыках удобно все элементы балки соединять в одном сечении. Такой стык называется универсальным.

Стыки прокатных балок (заводские и монтажные)' выполняют, как правило, сварными. Возможные конструктивные решения их показаны рис.

Наиболее просто и удобно непосредственное соединение балок встык '(рис. 7.24, а). Чтобы уменьшить усадочные сварочные напряжения, не­обходимо варить стык быстрее; чтобы охлаждение шло более равномер­но, следует начинать варить с менее жесткого элемента — стенки. Одна­ко при ручной сварке такого стыка с применением обычных способов контроля сварки растянутый пояс балки в стыке будет иметь меньшую прочность, чем вне стыка, так как расчетное сопротивление сварного шва встык на растяжение меньше расчетного сопротивления основного металла

При необходимости устройства стыка в сечении, где действует боль­ший изгибающий момент, делают прямое соединение балок встык, а полки усиливают накладками (рис. 7.24,6). Изгибающий момент в та-

Угловые швы, прикрепляющие накладку к балке, должны быть рас­считаны на усилие в накладке. Чтобы уменьшить сварочные напряже­ния, эти швы не доводят до оси стыка на 25 мм с каждой стороны.

При изготовлении конструкций в полевых мастерских, когда трудно обработать торцы балок под сварку, можно осуществить стык только с помощью накладок (см. рис. 7.24, в). Однако из-за большой концентра­ции напряжений в таком стыке применять его можно в конструкциях, работающих только на статическую нагрузку и при положительных температурах.

Почти весь изгибающий момент в этом стыке передается через по­ясные накладки, а поперечная сила — через парные накладки на стен­ке. Накладки на стенку конструктивно принимают шириной 100—150 мм, толщиной, приблизительно равной толщине стенки, и высотой, равной высоте прямолинейного участка стенки (до закруглений около полок).

Угловые швы, прикрепляющие накладки к стенке, следует проверять на действие поперечной силы

Стыки составных сварных балок. Заводские стыки поясов и стенки составных сварных балок осуществляют соединением листов до сборки их в балку (рис. 7.25, а). Основным типом сварных соединений листов является соединение встык. Стык растянутого пояса, если он располо­жен в зоне балки, где напряжения в поясе превышают расчетное сопро­тивление сварного шва на растяжение, устраивают косым или сварива­ют автоматической сваркой, выводя начало и конец шва на технологи­ческие планки. Такое усложнение производства часто делает более целесообразным перенос прямого заводского стыкового шва в то место балки, где напряжения в поясе не превышают расчетного сопротивления сварного шва на растяжение.    Заводские стыки сжатого пояса и стенки балки всегда делают прямыми.

На монтаже сжатый пояс и стенку всегда соединяют прямым швом встык, а растянутый    пояс — косым швом под углом 60 °, так как при монтаже автоматическая сварка и повышенные способы контроля за­труднены. Такой стык будет равнопрочен основному сечению балки и может не рассчитываться. Некоторым перенапряжением стенки вблизи растянутого пояса балки обычно пренебрегают, так как этот участок стенки расположен между двумя упруго работающими зонами балки, работает в условиях стесненной деформации и пластическое его разру­шение невозможно. Применявшееся раньше усиление этого участка на­кладками, как показали исследования, приводит лишь к дополнитель­ным сварочным напряжениям и не увеличивает несущей способности балки.

Чтобы уменьшить сварочные напряжения, сначала сваривают попе­речные стыковые швы стенки 7 (см. рис. 7.25,6) и поясов 2, имеющие наибольшую поперечную усадку. Оставленные не заваренными на заво­де участки поясных швов длиной около 500 мм дают возможность пояс­ным листам несколько вытянуться при усадке швов 2. Последним зава­ривают угловые швы 3, имеющие небольшую продольную усадку.

Стыки составных балок на высокопрочных болтах. В последнее вре­мя монтажные стыки сварных балок, чтобы избежать сварки при мон­таже, иногда выполняют на высокопрочных болтах (рис. 7.26). В таких стыках каждый пояс балки желательно перекрывать тремя накладками с двух сторон, а стенку^ двумя вертикальными накладками, площадь сечения которых должна быть не меньше площади сечения перекрывае­мого ими элемента. Ослабление сечения поясов балки учитывается при статических нагрузках, если площадь сечения нетто составляет меньше 85 % площади брутто Лит^О,85А; тогда принимается условная площадь сечения Лусл = 1,18ЛнТ; при динамических нагрузках Лнт принимается независимо от величины ослабления.

Болты в стыке ставят на минимальных расстояниях друг от друга: (2,5—3)rf болта (при rf=24 мм удобно иметь шаг 80 мм), чтобы умень­шить размеры и массу стыковых накладок.

Расчет каждого элемента балки ведут раздельно, а изгибающий мо­мент распределяют между поясами и стенкой пропорционально их жест­кости.

Опирания и сопряжения балок

Сопряжение балок со стальными колоннами осуществляется путем их опирания сверху или примыканием сбоку к колонне. Такое соедине­ние может быть или шарнирным, передающим только опорную реакцию Салки, или жестким, передающим на колонну кроме опорной реакции еще и момент защемления балки в колонне. Шарнирное соединение ши­роко применяется в большинстве балочных конструкций жесткое — в каркасах многоэтажных зданий. Примеры опирания бало'к на колонны сверху показаны на рис. 7.28. Конец балки в месте опирания ее на опо­ру укрепляют опорными ребрами, считая при этом, что вся опорная реакция передается с балки на опору через эти ребра жесткости. Ребра •жесткости для передачи опорной реакции надежно прикрепляют к стен­ке сварными швами, а торец ребер жесткости либо плотно пригоняют к нижнему поясу балки (рис. 7.28, а), либо строгают для непосредствен­ной передачи опорного давления на стальную колонну (рис. 7.28,6). Для правильной передачи давления на колонну (при конструктивном решении по рис. 7.28, а) центр опорной поверхности ребра надо совме­щать с осью полки колонны.

Размер опорных ребер жесткости определяют обычно из расчета на смятие торца ребра

Ширина выступающей части ребра из условий его местной устойчивости не должна превышать.

Выступающая вниз часть опорного ребра (рис. 7.28,6) не должна превышать а^1,5/ор и обычно принимается 15 — 20 мм.

Помимо проверки на смятие торца опорного ребра производится также проверка опорного участка балки на устойчивость из плоскости балки как условного опорного стержня, включающего в площадь рас­четного сечения опорные ребра и часть стенки балки шириной по в каждую сторону (на рис. 7.28, а эта площадь заштрихована) и длиной, равной высоте стенки балки:

Прикрепление опорных ребер к стенке балки сварными швами дол­жно быть рассчитано на полную опорную реакцию балки с учетом мак­симальной рабочей длины сварного шва. Шарнирное примыкание балок сбоку (рис. 7.28, в) по своему конструктивному оформлению, работе и расчету не отличается от опирания балок сверху по рис. 7.28, б.

Опирание балок на стены и железобетонные подкладки. При опира-нии балок на каменные стены и железобетонные подкладки обычно при­меняют специальные стальные опорные части, которые служат для рав­номерного распределения давления балки на большую площадь менее прочного, чем балка, материала опоры (камень, железобетон). Кроме того, опорные части должны обеспечить свободу деформации концов балки — поворот при прогибе балки, продольное смещение температур­ных и силовых деформаций, в противном случае в опоре возникнут не­желательные дополнительные напряжения. В соответствии с этими тре­бованиями применяют неподвижные и подвижные опорные части следу­ющих типов

Оорные части изготавливают из литой или толстолистовои стали. Площадь опирания плоских и тангенциальных опорных плит должна быть достаточной для передачи опорного давления балки на кладку стены или на бетон. Отсюда определяют размеры плиты

Толщину плиты определяют из условия ее прочности на изгиб.

Радиус поверхности тангенциальной опорной плиты определяют из

условия местного смятия при свободном касании плоскости и цилиндри кой поверхности по условной формуле «диаметрального сжатия полученной путем преобразования формулы  Герца,  

Простейшие однокатковые опоры (рис. 7.29, г) состоят из двух плит, между которыми помещают каток, часто срезанный по бокам.

Верхнюю плиту, являющуюся прокладкой между балкой и катком, обычно назначают толщиной около 30 мм. Нижняя плита работает по­добно плите тангенциальной опоры, и ее размеры определяют по фор­мулам (7.69) и (7.70).

Чтобы уменьшить трение качения, диаметр катка, мм, назначают по приближенной формуле не менее

где / — пролет балки.

Затем проверяют на местное смятие

Для обеспечения правильного расположения катка в опорной части к нему с боков прикрепляют противоугонные планки, а в середине де­лают реборду, не дающую катку сдвинуться поперек.

Сопряжения балок. Сопряжения главных и второстепенных балок между собой бывают: этажные, в одном уровне верхних, поясов и с по­ниженным расположением верхних поясов второстепенных балок (рис, 7.30).

Этажное сопряжение ,(рис. 7.30, о) является простейшим, но оно (из-за возможного отгиба пояса главной балки может передавать лишь не­большие опорные реакции. Это сопряжение можно усилить, поставив под вспомогательной балкой ребро жесткости и пригнав его верхний торец к верхнему поясу главной балки для предотвращения отгиба. '

Сопряжения в одном уровне и пониженное сопряжение способны пе­редавать большие опорные реакции. Неудобство сопряжения в одном уровне (рис. 7.30,6)—необходимость выреза верхней полки и части стенки вспомогательной балки. Этот вырез ослабляет ее сечение и уве­личивает трудоемкость сопряжения; кроме того, число болтов, которые можно разместить на стенке балки, ограничено. Избежать этих не­удобств можно, приварив на заводе к торцу вспомогательной балки ко­ротыш из уголка, и уже его сопрягать на монтаже болтами или сваркой с ребром жесткости главной балки (рис. 7.30, в).

В этих сопряжениях опорная реакция со стенки примыкающей вспо­могательной балки передается через болты или монтажную сварку на специальное ребро, укрепляющее стенку главной балки. В качестве ра­ботающих применяют болты нормальной точности, а при больших опорных реакциях вспомогательных балок — высокопрочные болты.

Расчет сопряжения балок заключается в определении размеров сварных швов или числа болтов, работающих на срез и прикрепляю­щих балки друг к другу. Расчетной силой является опорная реакция вспомогательной балки, увеличенная на 20 % вследствие внецентренно-сти передачи усилия на стенку главной балки.

Все рассмотренные сопряжения балок работают как шарнирные. При необходимости жесткого сопряжения балок (рис. 7.31) вводят «рыбки» (при одинаковой высоте балок) или «рыбку» и столик (при различной высоте балок). В таком сопряжении возникает не только поперечная сила, передающаяся на болты, прикрепляющие стенку вспомогательной балки к ребру главной балки или непосредственно на столик, но и опорный момент, передающийся через специальные наклад­ки-рыбки или через «рыбку» и столик.

18. Стальные колонны

В каркасах одноэтажных производственных зданий применяются стальные колонны трех типов: постоянного по высоте сечения, перемен­ного по высоте сечения — ступенчатые и в виде двух стоек, нежестко связанных между собой, — раздельные.

В колоннах постоянного по высоте сечения (рис. 14.1, а) нагрузка от мостовых кранов передается на стержень колонны через консоли, на которые опираются подкрановые балки. Стержень колонны может быть сплошного или сквозного сечения. Большое достоинство колонн посто­янного сечения (особенно сплошных) — их конструктивная простота, обеспечивающая небольшую трудоемкость изготовления. Эти колонны применяют при сравнительно небольшой грузоподъемности кранов (Q до 15—20 т) и незначительной высоте цеха (Н до 8—10 м).

При кранах большой грузоподъемности выгоднее переходить на сту­пенчатые колонны (рис. 14.1, б, в, г), которые для одноэтажных произ­водственных зданий являются основным типом колонн. Подкрановая балка в этом случае опирается на уступ нижнего участка колонны и располагается по оси подкрановой ветви.

В зданиях с кранами, расположенными в два яруса, колонны могут иметь три участка с разными сечениями по высоте (двухступенчатые колонны), дополнительные консоли и т. д. (рис 14 1 г)

При кранах особого режима работы либо " делают проем в верхней части колонны (при ее ширине не менее 1 м), либо устраивают проход между краном и внутренней гранью верхней части колонны (рис. 14.1, в).

Генеральные размеры колонн устанавливаются при компоновке по­перечной рамы.

В раздельных колоннах (рис. 14.2) подкрановая стойка и шатровая ветвь связаны гибкими в вертикальной плоскости горизонтальными планками. Благодаря этому подкрановая стойка воспринимает только вертикальное усилие от кранов, а шатровая работает в системе попереч­ной рамы и воспринимает все прочие нагрузки, в том числе горизон­тальную поперечную силу от кранов.

Колонны раздельного типа рациональны при низком расположении кранов большой грузоподъемности и при реконструкции цехов (напри­мер, при расширении).

РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ СТЕРЖНЯ КОЛОННЫ

Колонны производственных зданий работают на внецентренное сжа­тие. Значения расчетных усилий: продольной силы JV, изгибающего мо­мента в плоскости рамы Мх (в некоторых случаях изгибающего момен­та, действующего в другой плоскости, — Му) и поперечной силы Qx определяют по результатам статического расчета рамы (см. гл. 12). При расчете колонны необходимо проверить ее прочность, общую и ме­стную устойчивость элементов.

Для обеспечения нормальных условий эксплуатации колонны долж­ны обладать также необходимой жесткостью.

Сечения ступенчатых колонн подбирают раздельно для каждого уча­стка постоянного сечения. Расчетные длины участков колонн в плоско­сти и из плоскости рамы определяются в зависимости от конструктивной схемы каркаса.

1. Расчетные длины

А. Расчетная длина колонны в плоскости рамы. Колонны здания входят в состав поперечной рамы и для точного определения их расчет­ной длины необходимо провести расчет на устойчивость рамы в целом, что весьма трудоемко. Обычно при определении расчетной длины ко­лонны вводят ряд упрощающих предпосылок: рассматривают колонну как отдельно стоящий стержень с идеализированными условиями за­крепления; загружают систему силами, приложенными только в узлах, не в полной мере учитывают пространственную работу каркаса и т. д. Как показывает опыт проектирования, такой подход идет в запас устой­чивости.

2. Сплошные колонны

Сплошные колонны обычно проектируют двутаврового сечения. Для колонн с постоянным по высоте сечением и надкрановых частей ступен­чатых колонн применяются симметричные двутавры. Если момент од­ного знака значительно отличается по абсолютному значению от момен­та другого знака, целесообразно применение несимметричного сечения.

Для снижения трудоемкости изготовления колонн рационально при­менение прокатных двутавров с параллельными гранями типа Ш (рис. J4.4, а). Однако расход стали в этом случае иногда несколько увеличи­вается.

Составные сечения компо-1 нуют из трех листов (рис. 14.4,6) или листов и сварных а также прокатных двутавров (рис. 14.4, в). В колоннах крайних рядов для удобства крепления стенового огражде­ния используются сечения, по­казанные на рис. 14.4, г.

При компоновке составных сечений необходимо обеспе­чить условия применения авто­матической сварки (см. гл. 5), а также местную устойчивость полок и стенки.

Стержень внецентренно сжатой колонны (или ее участок) должен быть проверен на прочность и устойчивость как в плоскости, так и из плоскости рамы (см. гл. 3). Поскольку колонна не подвергается непо­средственному воздействию динамических нагрузок, ее прочность про­веряют с учетом развития пластических деформаций.

Проверку прочности необходимо делать только для колонн, имек> щих ослабленные сечения, а также при значениях приведенного эксцент­риситета mi>20. В большинстве случаев несущая способность колонны определяется ее устойчивостью.

Проверку устойчивости сплошной внецентренно сжатой колонны в плоскости действия момента Мх (в плоскости рамы) выполняют по формуле

где фх вн — коэффициент снижения расчетного сопротивления при внецентренном сжа­тии зависит от условной гибкости стержня КХ=КХУШ£ и приведенного эксцентриси­тета /71*1 = 11/71* (прил. 8); ms = ex/ftx = MxA/NWcx — относительный эксцентриситет; Wcx — момент сопротивления наиболее сжатого волокна; т| — коэффициент влияния формы сечения (прил. 10).

Потеря устойчивости внецентренно сжатого стержня происходит в упругопластической стадии работы материала, поэтому при проверке устойчивости вводится коэффициент, учитывающий степень ослабле­ния сечени-я пластическими деформациями и зависящий от формы се­чения.

Устойчивость внецентренно сжатого стержня зависит от характера эпюры моментов по длине стержня. Для колонн рамных систем значе­ния Мх принимают равными максимальному моменту на длине участка постоянного сечения. Для других случаев значения момента определя­ют по СНиП П-23-81.

При проверке устойчивости следует рассмотреть возможные комби­нации Мх и N (см. табл. 12.6) и выбрать из них наихудшие.

В плоскости действия момента Мх колонны имеют обычно более раз­витое сечение, поэтому, если /x>/y, возможна потеря устойчивости из плоскости действия момента (изгибно-крутильная форма потери устой­чивости) .

Оттирание стропильных ферм на колонны может быть запроектиро­вано сверху или сбоку. Оттирание сверху (см. рис. 13.15) применяют при шарнирном присоединении ригелей к колоннам. Опорное давление стро­пильных ферм Рф передается на опорную плиту оголовка колонны, за­тем через ребро оголовка на стенку колонны (или траверсу в сквозной колонне). Конструирование и расчет таких оголовков проводятся так же, как в центрально-сжатых колоннах.

Опирание ферм на колонны сбоку проектируют как при жестком, так и при шарнирном соединении ригеля с колонной

 Узлы опирания подкрановых балок и стыки колонн

В колоннах постоянного по высоте сечения подкрановые балки и другие конструкции опираются на специальные консоли (рис. 14.10). При кранах небольшой грузоподъемности применяются одностенчатые консоли, привариваемые к стержню колонны на заводе-изготовителе (если позволяют габариты перевозки). Консоль и швы ее крепления к колонне рассчитывают на изгибающий момент M=Dmaxe и срез силой

Напряжения у основания консоли и в швах ее крепления можно оп­ределить, предполагая, что момент воспринимается только полками H = M/fiKl а вертикальная сила — стенкой. Полку колонны следует про­верить на растяжение в направлении толщины проката (линия /—/ на рис. 14,10, а).

6-7. Стальные колонны. Основные сведения.

В металлических конструкциях широко применяются работающие на центральное сжатие колонны или стержни, входящие в состав кон­структивных комплексов.

Центрально-сжатые колонны (рис. 8.1, и) применяются для поддер­жания междуэтажных перекрытий и покрытий зданий, в рабочих пло­щадках, путепроводах, эстакадах и т. п. Центрально-сжатые стержни работают в составе конструктивных элементов и комплексов тяжелых решетчатых ферм и рам (рис. 8.1,6), сжатых элементов вантовых си­стем и т. п.

Колонны передают нагрузку от вышележащей конструкции на фун­даменты и состоят из трех частей, определяемых их назначением оголовок, на который опирается вышележащая конструкция напп--жающая колонну;                                                                                      

стержень — основной конструктивный элемент, передающий НЗГПУЗ-ку от оголовка к базе;                                                                               

база, передающая нагрузку от стержня на фундамент  (рис   8 1 а) Расчет и конструирование основного элемента    центрально-сжатых' колонн и стержней производятся одинаково.

Узлы примыкания центрально-сжатых стержней с другими элемен­тами конструктивного комплекса (рис. 8.1,6) зависят от вида конструк­ции и рассмотрены в соответствующих главах. Колонны и сжатые стер­жни проектируют почти исключительно стальными. Применять алюми­ниевые сплавы в сжатых стержнях, как правило, нерационально из-за плохой работы сплавов на продольный изгиб вследствие низкого моду-

ля упругости. Однако в общем конструктивном комплексе, выполняе­мом из алюминиевого сплава, могут быть запроектированы и сжатые стержни из сплава.

Хорошо работают на центральное сжатие и экономны по затрате металла трубобетонные колонны, стержень которых состоит из сталь­ной трубы, заполненной бетоном.

По статической схеме и характеру нагружения колонны могут быть одноярусные и многоярусные. Колонны и сжатые стержни бывают сплошными или сквозными.

Типы сквозных колонн

Стержень сквозной центрально-сжатой колонны обычно состоит из двух ветвей (швеллеров или двутавров), связанных между собой ре­шетками (рис. 8.4,а—в). Ось, пересекающая ветви, называется матери­альной; ось, параллельная ветвям, называется свободной. Расстояние между ветвями устанавливается из условия равноустойчивости стержня.

Швеллеры в сварных колоннах выгоднее ставить полками внутрь (рис. 8.4, а\, так как в этом случае решетки получаются меньшей шири­ны и лучше используется габарит колонны.

Более мощные колонны могут иметь ветви из прокатных или свар­ных двутавров (рис. 8.4 в).

В сквозных колоннах из двух ветвей необходимо обеспечивать зазор между полками ветвей (100—150 мм) для возможности окраски внут­ренних поверхностей.

Стержни большой длины, несущие небольшие нагрузки, должны иметь для обеспечения необходимой жесткости развитое сечение, поэто­му их рационально проектировать из четырех уголков, соединенных ре­шетками в четырех плоскостях (рис. 8.4, г). Такие стержни при неболь­шой площади сечения обладают значительной жесткостью, однако тру­доемкость их изготовления больше трудоемкости изготовления двухветвевых стержней.

При трубчатом сечении ветвей возможны трехгранные стержни '(рис. 8.4, д), достаточно жесткие и экономичные по затрате металла.

Решетки обеспечивают совместную работу ветвей стержня'колонны и существенно влияют на устойчивость колонны в целом и ее ветвей. Применяются решетки разнообразных систем: из раскосов (рис. 8.5, о), из раскосов и распорок (рис. 8.5,6) и безраскосного типа в виде пла­нок (рис. 8.5, s).

В случае расположения решеток в четырех плоскостях (рис. 8.4, г)' возможны обычная схема (рис. 8.6, а) и более экономичная треуголь­ная схема «в елку» (рис. 8.6,6).

В колоннах, нагруженных    центральной силой, возможен изгиб от случайных эксцентриситетов. От изгиба возникают    поперечные силы, воспринимаемые решетками, которые препятствуют сдвигам ветвей ко­лонны относительно ее продольной оси.

Треугольные решетки, состоящие из одних раскосов (рис. 8.5, а), или треугольные с дополнительными распорками (рис. 8.5,6) являются более жесткими, чем безраскосные, так как образуют в плоскости гра­ни колонны ферму, все элементы которой при изгибе работают на осе­вые усилия, однако они более трудоемки в изготовлении.

Планки (рис. 8.5, б) создают в плоскости грани колонны безраскос­ную систему с жесткими узлами и элементами, работающими на изгиб, вследствие чего безраскосная решетка оказывается менее жесткой. Ес­ли расстояние между ветвями значительно (0,8—1 м и более), то эле­менты безраскосной решетки получаются тяжелыми; в этом случае сле­дует отдавать предпочтение раскосной решетке.

Безраскосная решетка хорошо выглядит и является более простой, ее часто применяют в колоннах и стойках сравнительно небольшой мощ­ности (с расчетной нагрузкой до 2000—2500 кН).

Чтобы сохранить неизменяемость контура поперечного сечения сквозной колонны, ветви колонн соединяют поперечными диафрагмами (рис. 8.7), которые ставят через 3—4 м по высоте колонны.

2. Влияние решеток на устойчивость стержня сквозной колонны

Основное уравнение. Решетки, связывая ветви колонны, обеспечива­ют их совместную работу и общую устойчивость стержня. Вследствие деформативности решеток гибкость стержня сквозной колонны относи­тельно свободной оси (рис. 8.4, а и в) больше гибкости сплошной ко­лонны ?,= /о/г (/о—расчетная высота колонны) и зависит от типа ре­шетки.

Критическую силу потери устойчивости составной колонны относи­тельно свободной оси можно определить из общего условия потери стержнем устойчивости

Колонны с безраскосной решеткой. Сжатые колонны с безраскос-ной решеткой представляют собой рамную систему, все элементы кото­рой при общем прогибе колонны изгибаются по S-образным кривым.

При одинаковых расстояниях между планками и одинаковой их мощ­ности приближенно можно принимать, что нулевые точки моментов рас­положены в середине планок по их длине и посередине расстояния меж­ду планками в ветвях колонны. В нулевых точках действуют попереч­ные силы, возникающие от изгиба стержня.

8. Компановка стального каркаса.

Проектирование каркаса производственного здания начинают с вы­бора конструктивной схемы и ее компоновки. Исходным материалом яв­ляется технологическое задание, в котором даются расположение и габариты агрегатов и оборудования цеха, количество кранов, их грузо­подъемность и режим работы. Технологическое задание содержит дан­ные о районе строительства, условиях эксплуатации цеха (освещенность, температурно-влажностный режим и т. п.).

После выбора конструктивной схемы одновременно с компоновкой решаются принципиальные вопросы архитектурно-строительной части проекта (определяются ограждающие конструкции, назначается распо­ложение оконных, воротных проемов и т.п.).

При компоновке конструктивной схемы каркаса решаются вопросы размещения колонн здания в плане, устанавливаются внутренние габа­риты здания, назначаются и взаимоувязываются размеры основных кон­структивных элементов каркаса.

РАЗМЕЩЕНИЕ КОЛОНН В ПЛАНЕ

Размещение колонн в плане принимают с учетом технологических, конструктивных и экономических факторов. Оно должно быть увязано с габаритами технологического оборудования, его расположением и на­правлением грузопотоков. Размеры фундаментов под колонны увязыва­ют с расположением и габаритами подземных сооружений (фундамен­тов под рабочие агрегаты, боровов, коллекторов и т.п.). Колонны раз­мещают так, чтобы вместе с ригелями они образовывали поперечные рамы, т. е. в многопролетных цехах колонны разных рядов устанавли­ваются по одной оси.

Согласно требованиям унификации промышленных зданий, расстоя­ния между колоннами поперек здания (размеры пролетов) назначают­ся в соответствии с укрупненным модулем, кратным 6 м (иногда 3 м); для производственных зданий 1=18, 24, 30, 36 м и более. Расстояния между колоннами в продольном направлении (шаг колонн) также при­нимают кратными 6 м. Шаг колонн однопролетных зданий (рис. 11.1), а также шаг крайних (наружных) колонн многопролетных зданий обыч­но не зависит от расположения технологического оборудования и его принимают равным 6 или 12 м. Вопрос о назначении шага колонн край­них рядов (6 или 12 м) для каждого конкретного случая решается срав­нением вариантов. Как правило, для зданий больших пролетов (=30 м) и значительной высоты (Н^ 14 м) с кранами большой грузо­подъемности (Q^50 т) оказывается выгоднее шаг 12 м и, наоборот, для зданий с меньшими параметрами экономичнее оказывается шаг колонн б м. У торцов зданий (см. рис. 11.1) колонны обычно смещаются с мо­дульной сетки на 500 мм для возможности использования типовых ог­раждающих плит и панелей с номинальной длиной б или 12 м. Смеще­ние колонн с разбивочных осей имеет и недостатки, поскольку у торца здания продольные элементы стального каркаса получаются меньшей длины, что приводит к увеличению типоразмеров конструкций.

В многопролетных зданиях шаг внутренних колонн исходя из техно­логических требований (например, передача продукции из пролета в пролет) часто принимается увеличенным, 'но кратным шагу наружных колонн (рис. 11.2).

При больших размерах здания в плане в элементах каркаса могут возникать большие дополнительные напряжения от изменения темпера­туры. Поэтому в необходимых случаях здание разрезают на отдельные блоки поперечными и продольными температурными швами. Нормами проектирования установлены предельные размеры температурных бло­ков, при которых влияние климатических температурных воздействий можно не учитывать (табл. 11.1).

Наиболее распространенный способ устройства поперечных темпе­ратурных швов заключается в том, что в месте разрезки здания ставят две поперечные рамы (не связанные между собой какими-либо продоль­ными элементами), колонны которых смещают с оси на 500 мм в каж­дую сторону, подобно тому как это делают у торца здания {рис, 11.2, а).

Продольные температурные швы решают либо расчленением много­пролетной рамы на две (или более) самостоятельные, что связано с ус­тановкой дополнительных колонн, либо с подвижным в поперечном на­правлении опиранием одного или обоих ригелей на колонну с помощью катков или другого устройства. В первом решении предусматривается дополнительная разбивочная ось на расстоянии 1000 или 1500 мм от основной (рис. 11.2, а). Иногда в зданиях, имеющих ширину, превыша­ющую предельные размеры для температурных блоков, продольную раз­резку не делают, предпочитая некоторое утяжеление рам, необходимое по расчету на температурные воздействия.

В некоторых случаях планировка здания, обусловленная технологи­ческим процессом, требует, чтобы продольные ряды колонн двух про­летов цеха располагались во взаимно перпендикулярных направлениях.

При этом также возникает необходимость в дополнительной разбивоч-ной оси. Расстояние между осью продольного ряда колонн одного отсе­ка и осью торца примыкающего к нему другого отсека, принимается равным 1000 мм, а колонны смещаются с оси внутрь на 500 мм (рис. 11.2,6).

 КОМПОНОВКА ПОПЕРЕЧНЫХ РАМ

Компоновку поперечной рамы начинают с установления основных габаритных размеров элементов конструкций в плоскости рамы. Раз­меры по вертикали привязывают к отметке уровня пола, принимая ее нулевой. Размеры по горизонтали привязывают к продольным осям зда­ния. Все размеры принимают в соответствии с основными положениями по унификации и другими нормативными документами.

Компоновка однопролетных рам

Вертикальные габариты здания зависят от технологических условий производства и определяются расстоянием от уровня пола до головки кранового рельса HI и расстоянием от головки кранового рельса до ни­за несущих конструкций покрытия Н2. В сумме эти размеры составляют полезную высоту цеха Н0 (рис. 11.3).

Размер Я2 диктуется высотой мостового крана

Габариты мостовых кранов даются в соответствующих стандартах и заводских каталогах .

Окончательный размер Н2 принимается обычно кратным 200 мм.

2. Компоновка многопролетных рам

При проектировании многопролетных рам нужно учесть, что для до­стижения максимальной типизации конструкций каркаса желательно, чтобы все пролеты были равными и имели одинаковую высоту.

По условиям технологии производства не всегда удобны одинаковые пролеты, тогда нужно стремиться, чтобы количество их размеров было наименьшим (рис. 11.4,а). Наиболее часто здания проектируются с пло­ской кровлей (уклон 1,5 %) и внутренними водостоками.

Для неотапливаемых зданий необходимо устройство наружного от­вода воды. Иногда внутренние водостоки оказываются неприемлемыми по условиям технологического процесса (например, для сталеплавильных цехов). В таких случаях необходимо устройство двускатных покрытий, применение которых возможно из условия обеспечения водоотвода и аэрации при ширине здания до 70—80 м (рис. 11.4,6").

Проектирование отдельных пролетов с различной полезной высотой в многопролетных зданиях вызывается разнохарактерными условиями производства. В многопролетных зданиях с большими производственны­ми тепло- и газовыделениями рациональны перепады по высоте (при достаточной их величине). Требования освещенности заставляют в от­дельных случаях использовать перепады высот смежных пролетов для устройства дополнительного бокового освещения.

При компоновке конструктивной схемы многопролетных рам с раз­личной высотой пролетов приходится решать вопрос о применении в этих пролетах односкатных или двускатных покрытий. Для малых бо­ковых пролетов самыми простыми являются односкатные покрытия (см. рис. 11.4,6). Для больших смежных пролетов при возможности устрой­ства внутреннего водостока наиболее целесообразны двускатные фермы (см. рис. 11.4, а) с различными уклонами i верхнего пояса.

9. Компановка и выбор покрытий.

Покрытие производственного здания состоит из кровельных (ограж­дающих) конструкций, несущих элементов (прогонов, ферм, фонарей), на которые опирается кровля, и связей по покрытию, обеспечивающих пространственную неизменяемость, жесткость и устойчивость всего покрытия и его отдельных элементов.

В данной главе рассмотрены только плоскостные решения конструк­ций покрытия. Пространственные решетчатые системы покрытий (струк­туры) рассмотрены в главе 18.

КОНСТРУКЦИЯ КРОВЛИ

Покрытие производственного здания решается с применением про­гонов или без них. В первом случае между стропильными фермами че­рез 1,5—3 м устанавливают прогоны, на которые укладывают мелко­размерные кровельные плиты, листы, настилы (рис. 13.1, а). Во втором случае непосредственно на стропильные фермы укладывают крупно­размерные плиты или панели шириной 1,5—3 м и длиной 6 или 12 м, совмещающие функции несущих и ограждающих конструкций (рис. 13. 1, б).

Кровля по прогонам получается легче вследствие небольшого проле­та ограждающих элементов, но требует большего расхода металла (на прогоны) и более трудоемка в монтаже. Беспрогонная кровля индустриальна и проста в монтаже, обеспечивает меньший расход стали (при применении железобетонных панелей); основной недостаток ее —боль­шая масса.

Снижение массы кровельной конструкции имеет чрезвычайно важ­ное значение, ибо уменьшает стоимость не только конструкции кровли, но и всех нижерасположенных конструкций: фонарей, ферм, колонн и фундаментов.

Выбор конструкции кровли производится на основании технико-эко­номического сравнения возможных вариантов с учетом технологических и экономических факторов — назначения здания, температурно-влажностного режима внутрицеховой среды, стоимости возведения, наличия производственной базы по изготовлению крупноразмерных панелей в районе строительства, условий транспортировки, обеспеченности мон­тажными механизмами и т. д.

В зависимости от принятого типа кровли определяется необходимый уклон покрытия для обеспечения водоотвода. При самозалечивающихся кровлях с гравийной защитой принимается уклон 1,5 %; при кровлях из рулонных материалов без защиты — Ys—'/12; при кровлях, не обес­печивающих герметизацию покрытия (асбестоцементные листы, волни­стая сталь и т. д.], уклон кровли должен быть не менее J/4—'/е-

1. Покрытия по прогонам

Прогоны устанавливают на верхний пояс стропильных ферм в их узлах. В качестве прогонов применяют прокатные балки, гнутые про­фили либо легкие сквозные конструкции (при шаге ферм больше 6 м). Кровельные покрытия бывают теплыми (с утеплителем) в отапливае­мых производственных зданиях и холодными без утеплителя (для не­отапливаемых зданий, а также горячих цехов, имеющих избыточные тепловыделения от технологических агрегатов)1.

В горячих цехах кровля из асбестоцементных листов недостаточно долговечна, так как под воздействием высоких температур асбестоце­мент пересушивается и растрескивается. Кроме того, волнистость кров­ли способствует скоплению пыли и затрудняет ее уборку. Поэтому в го­рячих цехах более целесообразна кровля из плоских стальных листов. Стыки между листами сваривают сплошными швами с использованием автоматической сварки, что обеспечивает полную герметичность кровли, поэтому уклон такой кровли может быть принят как и для рулонных '/s—Via. Из условия жесткости кровли толщина листов должна быть не менее 3—4 мм.

2. Беспрогонные покрытия

Для покрытий производственных зданий широко применяют различ­ного вида крупнопанельные железобетонные плиты шириной 3 м и дли­ной 6 и 12 м. Продольные ребра плит опираются непосредственно в уз­лах верхнего пояса ферм и привариваются минимум по трем углам (рис. 13.4). Иногда в качестве доборных применяют плиты шириной 1,5 м. В этом случае верхний пояс ферм необходимо рассчитать с учетом ме­стного момента от внеузловой передачи нагрузки или поставить допол­нительные шпренгели, подкрепляющие верхний пояс в местах опирания плит. Типы плит покрытия и их-характеристики указаны в каталогах типовых сборных железобетонных изделий.

Основной недостаток крупнопанельных железобетонных плит — их большой собственный вес (1,4—2,1 кН/м2), что утяжеляет все нижеле­жащие конструкции каркаса здания.

§ 2. ПРОГОНЫ

Прогоны воспринимают нагрузку от кровли и передают ее на стро­пильные конструкции. Прогоны бывают сплошного сечения и решетча­тые. Сплошные прогоны тяжелее решетчатых, но значительно проще в изготовлении и монтаже. Они применяются при шаге ферм 6 м. Сплош­ные прогоны обычно изготовляются из прокатных швеллеров, реже из двутавров. Более рациональны прогоны из гнутых профилей швеллер­ного, С-образного и Z-образного сечения (рис. 13.8). Такие прогоны мо­гут иметь развитую высоту при тонкой стенке. Для обеспечения местной устойчивости полок устраивают отгибы.

При легкой кровле и небольших снеговых нагрузках прогоны из гну­тых профилей могут применяться при шаге ферм до 12 м. При больших нагрузках более рациональны сквозные прогоны, а также разработан­ные в ЦНИИПроектстальконструкция прогоны из перфорированного двутавра («сквозной» двутавр) (см. рис. 7.38) и тонкостенных балок.

По расходу стали прогоны из «сквозных» двутавров приближаются к решетчатым, а по стоимости на 10—15 % дешевле.

Еще более эффективно использование для прогонов тонкостенных балок. Учет закритической стадии работы стенки позволяет уменьшить ее толщину и принять гибкость стенки (отношение высоты к толщине) 200—300. Такие прогоны на 8—18 % легче решетчатых. Для изготовле­ния тонкостенных балок-прогонов разработана поточная линия с при­менением высокочастотной сварки.

10. СИСТЕМЫ ФЕРМ И ОБЛАСТЬ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ В СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ

Стальные фермы широко применяются в покрытиях промышленных и гражданских зданий, ангаров, вокзалов и т. п. Большепролетные мо­сты, радиобашни и мачты, опоры линий электропередачи и многие дру­гие конструкции выполняются в виде стальных ферм.

Фермы по сравнению со сплошными балками экономичны по затрате металла, им легко придают любые очертания, требуемые условиями тех­нологии, работы под нагрузкой или архитектуры, они относительно про­сты в изготовлении.

Фермы применяют при самых разнообразных нагрузках; в зависи­мости от назначения им придают самую разнообразную конструктив­ную форму — от легких прутковых конструкций до тяжелых ферм, стержни которых могут компоноваться из нескольких элементов круп­ных профилей или листов. Наибольшее распространение имеют разрез­ные балочные фермы (рис. 9.1, а) как самые простые в изготовлении

и монтаже. Неразрезные (рис. 9.1,6) и консольные (рис. 9.1, в) систе­мы ферм рациональны при большой собственной массе конструкции, так как в этом случае они могут дать значительную экономию металла. Кроме того, неразрезные фермы можно применять исходя из требова­ний эксплуатации, так как они обладают большей жесткость» и могут иметь меньшую высоту.

Башни и мачты представляют собой вертикальные консольные си­стемы ферм (рис. 9.1, е). Соответствующие эксплуатационные или ар­хитектурные требования могут обусловить применение арочных (рис. 9.1, г) или рамных (рис. 9.1,5) ферм.

Промежуточными между фермой и сплошной балкой являются ком­бинированные системы, состоящие из балки, усиленной либо снизу под­вешенной цепью (шпренгельная балка) или сквозной фермой, либо сверху аркой или фермой (рис. 9.1, ж). Распор цепи или арки, а также поддерживающее воздействие элементов фермы уменьшают изгибаю­щий момент в балке. Комбинированные системы просты в изготовлении и рациональны в тяжелых конструкциях, а также в конструкциях с под­вижной нагрузкой (см, гл. 15). Возможность использования в комби­нированных системах дешевых прокатных балок благоприятно сказы­вается на стоимости и трудоемкости изготовления этих систем.

Эффективность ферм и комбинированных систем можно значитель­но повысить, создав в них предварительное напряжение (см. §. 11 на­стоящей главы).

В фермах подвижных крановых конструкций и покрытий больших пролетов, где уменьшение веса конструкций дает большой экономиче­ский эффект, возможно применение алюминиевых сплавов. В дальней­шем подробно рассматриваются в основном стропильные фермы, наибо­лее широко применяемые в промышленном и гражданском строитель­стве.

КОМПОНОВКА КОНСТРУКЦИИ ФЕРМ

1. Очертание ферм

Выбор очертания ферм является первым этапом их проектирования. Очертание ферм в первую очередь зависит от назначения сооружения. Оно должно отвечать принятой конструкции сопряжений с примыкаю­щими элементами. Так, очертание стропильной фермы производственно­го здания зависит от назначения цеха, типа кровли, типа и размера фонаря, от типа соединения ферм с колоннами (шарнирное или жесткое) и т. п.

Вместе с тем очертание ферм должно соответствовать их статиче­ской схеме, а также виду нагрузок, определяющему эпюру изгибающих моментов. Например, выступающие консоли рационально проектиро­вать треугольными, с одним скатом (рис. 9.2, б); однопролетные фер­мы с равномерной нагрузкой — полигонального очертания (рис. 9.3, б).

Фермы треугольного очертания. Треугольное очертание придается стропильным фермам (рис. 9.2, а, г), консольным навесам (рис. 9.2, б), а также мачтам и башням (рис. 9.2, в).

Стропильные фермы треугольного очертания применяют, как прави­ло, при значительном уклоне кровли, вызываемом или условиями эк­сплуатации здания, или типом кровельного материала. Стропильные фермы треугольного очертания имеют ряд конструктивных недостатков. Острый опорный узел сложен, допускает лишь шарнирное сопряжение фермы с колоннами, при котором снижается поперечная жесткость одно­этажного производственного здания в целом. Стержни решетки в сред­ней части ферм получаются чрезмерно длинными, и их сечение прихо­дится подбирать по предельной гибкости (см. § 4 этой главы), что вы­зывает перерасход металла. Треугольное очертание в стропильных фер­мах не соответствует параболическому очертанию эпюры моментов.

Однако в ряде случаев треугольные фермы приходится применять, несмотря на заведомо нерациональное с точки зрения распределения усилий очертание, исходя из общих требований компоновки и назначе­ния сооружения. Примером могут служить треугольные фермы шедо-вых покрытий (рис. 9.2, г), применяемые в зданиях, где необходим боль­шой и равномерный приток дневного света с одной стороны.

Фермы трапецеидального очертания со слабо вспарушенным верх­ним поясом (рис. 9.3, а) пришли на смену треугольным фермам благо­даря появлению кровельных материалов, не требующих больших укло­нов кровли.

Трапецеидальное очертание балочных ферм лучше соответствует эпюре изгибающих моментов и имеет конструктивные преимущества. В сопряжении с колоннами позволяет устраивать жесткие рамные узлы, что повышает жесткость здания. Решетка таких ферм не имеет длинных стержней в середине пролета. N

Фермы, полигонального очертания (рис. 9.3,6" и в) наиболее прием­лемы для конструирования тяжелых ферм больших пролетов, так как

очертания фермы соответствуют эпюре изгибающих моментов, что да­ет значительную экономию стали. Дополнительные конструктивные за­труднения из-за переломов пояса в тяжелых фермах не так ощутимы, ибо пояса в таких фермах из условий транспортирования приходится стыковать в каждом узле.

Для легких ферм полигональное очертание нерационально, так как получающиеся в этом случае конструктивные усложнения не окупаются незначительной экономией стали.

Фермы с параллельными поясами (рис. 9.3, г, д) имеют существен­ные конструктивные преимущества. Равные длины стержней поясов и решетки, одинаковая схема узлов и минимальное количество стыков по­ясов обеспечивают в таких фермах наибольшую повторяемость деталей и возможность унификации конструктивных схем, что способствует ин­дустриализации их изготовления. Эти фермы благодаря распростране­нию кровель с рулонным покрытием стали основным типом в покрыти­ях зданий.

2. Генеральные размеры ферм

Определение пролета ферм. Пролет или длина ферм в большинстве случаев определяются эксплуатационными требованиями и общекомпо­новочным решением сооружения и не могут быть рекомендованы по ус­мотрению конструктора.

Пролеты стропильных ферм, мостовых кранов, гидротехнических за­творов и т. п. определяются технологической или архитектурной схемой сооружения и уточняются в зависимости от типа сопряжений с сосед­ними элементами.

ПОДБОР СЕЧЕНИИ СТЕРЖНЕЙ ЛЕГКИХ ФЕРМ

1. Общие положения

Для удобства изготовления и комплектования сортамента металла при проектировании легких ферм обычно устанавливают четыре — шесть различных калибров профиля, из которых подбирают все элементы фермы. Чтобы предварительно установить необходимый ассортимент профилей, ориентировочно определяют требуемые площади сечений для всех стержней фермы.

Стержни, составленные из двух уголков или швеллеров, соединен­ных через прокладки, рассчитывают как сплошностенчатые, что обес­печивается установленными расстояниями между прокладками (см. § 9).

Из условия обеспечения необходимой жесткости при монтаже и пе­ревозке в сварных фермах берут уголки с полками более 50 мм.

При значительных усилиях в поясах ферм подбор сечений стержней можно производить из стали двух марок (например, пояса — из низко­легированной стали, элементы решетки — из малоуглеродистой).

В легких фермах пролетом до 30 м, чтобы уменьшить трудоемкость изготовления конструкции, пояса обычно принимают постоянного сече­ния по всей длине. Изменение в стыке сечения пояса, калибр профиля необходимо согласовать £ конструкцией стыка. Так, например, измене-кие сечения из двух уголков целесообразно выполнять за счет ширины полки, толщину уголков для удобства перекрытия накладками целесо­образно сохранять одинаковой по обеим сторонам стыка.

2. Подбор сечений сжатых стержней

Подбор сечений сжатых стержней начинается с определения требуемой площади

Y — коэффициент условия работы принимается по прил. 13; формула (9.16) содержит два неизвестных: требуемую площадь Л,р и коэффициент продольного изгиба <р, кото­рый является функцией гибкости.

где /о — расчетная длина стержня; i—Y Г/А — радиус инерции сечения, в свою очередь зависящий от площади Л.

Эти параметры обычно задаются гибкостью стержня, учитывая сте­пень загружения и характер его работы. По заданной гибкости находят соответствующую величину ср и площадь А по формуле (9.16).

При предварительном подборе для поясов легких ферм можно при­нять Я = 80~60 и для решетки Я= 120-=- 100.

Задавшись гибкостью Я, можно также найти требуемые радиусы инерции сечения по формулам.

В соответствии с требуемыми радиусами инерции и площадью сече­ния по сортаменту подбирается подходящий калибр профиля. Несог­ласованность табличных значений г и Л с требуемыми показывает, на­сколько неправильно была задана гибкость. Принимая после этого профиль с промежуточным значением площади -и соответствующим ра­диусом инерции определяют во втором приближении гибкость, коэффи­циент ф и напряжение. Обычно второе приближение достигает цели.

Требуемую площадь нетто сечения растянутого стержня фермы из стали с отношением /?B/YH<# определяют по формуле

где у — коэффициент условий работы; ун=1,3 — коэффициент надежности.

Скомпоновав по требуемой площади сечение (с учетом установлен­ного ассортимента профилей и общих конструктивных требований), про­изводят проверку принятого сечения, причем подсчитывают действи­тельное его ослабление отверстиями.

4. Подбор сечений стержней при действии продольной силы и момента (внецентренное сжатие)

Верхние пояса стропильных ферм, нагружаемые кровельной конст­рукцией, работают на осевую силу и изгиб. Сжимающая сила N опреде­ляется по обычному расчету фермы с приложением всей нагрузки в узлах.

Изгибающий момент принимается равным наибольшему моменту в пределах средней трети длины панели пояса, определяемому из расчета пояса как упругой неразрезной балки (см. § 3).

Расчетные значения продольной силы Л' и изгибающего момента/Их в стержнях следует принимать для одного и того же сочетания нагру­зок из расчета системы по недеформированной схеме в предположении упругих деформаций стали.

Расчет на устойчивость внецентренно сжатого верхнего пояса фермы следует выполнять как в плоскости действия момента, так и из плоскос­ти действия момента.

Подбор сечения можно начать с определения требуемой площади сечения стержня, используя формулу проверки устойчивости в плоскости изгиба

Как уже было рассмотрено в §3 гл. 3, коэффициент понижения не­сущей способности 'стержня при внецентренном сжатии <рШ1 (см. прнл.8) есть функция условной гибкости в плоскости изгиба Ъх= (I0x/ix) т/#/£и приведенного эксцентриситета Шщ>, равного относительному эксцентри­ситету т = е0/р, умноженному на коэффициент влияния формы сечения т], принимаемому по прил. 10. Поэтому приведенный эксцентриситет бу­дет иметь следующий вид:

где рж — расстояние от горизонтальной осп до края ядра сечения; г — расстояние of центра тяжести сечения до сжатого от момента края сечения; Мх— момент относи­тельно горизонтальной оси.

Предварительный подбор сечения производят как для центрально-сжатого стержня. Установив тип сечения (тавр, труба, два швеллера, двутавр и т. д.), задаются гибкостью Kx = t0/ix и определяют отвечаю­щие этой гибкости и расчетной длине стержня радиус инерции /х = = {о/Ях, требуемую высоту сечения h = ix/ai и ядровое расстояние.  Для симметричных относительно горизонтальной оси сечений z=hj2, для тавровых 2 = 0,3 h.

Для принятого типа сечения по прил. 10 находим

Зная рх и т], определяют по формуле (9.21) приведенный эксцентри­ситет тпр, а по нему и по приведенной гибкости Хх — коэффициент фва (см. прил. 9) и, наконец, по формуле (9.20) находят требуемую площадь. Зная площадь и высоту h, компонуют сечение. Если сечение компонует­ся плохо, изменяют значение гибкости и определяют новое значение пло­щади.

Получив геометрические характеристики намеченного сечения, про­изводят проверку стержня в плоскости действия момента по формуле

Коэффициент фвн принимается по точно вычисленным характеристи­кам Я и mnp для принятого сечения.

Расчет на устойчивость при т<20 не требуется.

Проверка устойчивости стержня из плоскости действия момента производится (при 1х~>1у) по формуле

Коэффициент продольного изгиба центрально-сжатого стержня фу относительно оси у принимают по гибкости стержня

Коэффициент с принимается в соответствии с указаниями гл. 3. При наличии в стержне отверстий для болтов прочность внецентренно сжатых стержней проверяется по формуле

где Лнт  и  /хя т — площадь  и  момент инерции  нетто; у — расстояние  от нейтральной оси до края сечения.

Подбор сечений стержней по предельной гибкости

Ряд стержней легких ферм имеют незначительные усилия и, следова­тельно, небольшие напряжения, сечения этих стержней подбирают по предельной гибкости, установленной СНиП (см. §4 этой главы). К та­ким стержням обычно относятся дополнительные стойки в треугольной решетке, раскосы в средних панелях ферм, элементы связей и т.п.

Зная расчетную длину стержня /0 и значение предельной гибкости ЯПр, определяют требуемый радиус инерции !Чр = УЯтр. По нему в сор­таменте выбирают сечение, имеющее наименьшую площадь.

Ввиду простоты расчетных манипуляций рекомендуется подбор стер­жней легких ферм оформлять в табличной форме (табл. 9.1).

ПОДБОР СЕЧЕНИИ СТЕРЖНЕЙ ТЯЖЕЛЫХ ФЕРМ

Подбор сечений стержней тяжелых ферм начинается с предваритель­ного определения требуемых площадей сечения всех стержней по форму­лам (9.16) и (9.19).

Для сжатых стержней в первом приближении коэффициенты про­дольного изгиба можно принимать равными: для поясов <р =-0,8-^0,85, для решетки ф = 0,7-ьО,8.

В растянутых стержнях при клепаных или болтовых монтажных сое­динениях учитывается коэффициент ослабления а = 0,8ч-0,85.

Исходя из требуемых площадей устанавливается тип сечения стерж­ней для поясов и решетки.

В зависимости от климатического района эксплуатации ферм (см. СНиП) высота сечения поясов не должна превышать 1/!0—1/15 длины панели, так как при большей высоте влияние изгибающих моментов от жесткости узлов возрастает и его надо учитывать в работе.

Основным размером стержней тяжелых ферм с двухстенчатыми се­чениями является расстояние между узловыми фасовками b (рис. 9.16, а, б, 0), которое определяет ширину стержней поясов и раскосов и со­храняется постоянным для всех элементов фермы. Обычно 6 — 400— 500 мм.

Узловые фасонки непосредственно накладывают на наружные грани, что дает наиболее простой тип узла. Однако это требует постоянства ширины между наружными поверхностями всех стержней фермы. Ввиду того что толщина вертикалов разных сечений неодинаковая, расстоя­ние в свету между их внутренними поверностями может получиться также разным. Выравнивание достигается постановкой прокладок в се­чениях с более тонкими вертикалами (рис, 9.16, в).

Пояса тяжелых ферм имеют в разных панелях разные сечения, связанные общностью типа и условиями сопряжения стержней в узлах. Поэтому сечения всех стержней одного пояса должны подбираться одно­временно. Перед началом подбора устанавливают тип сечения (Н-образ-ное, швеллерное, коробчатое), прием перехода от площади одного сечения к площади смежного и намечают места перехода от одного се­чения к смежному. Приемы изменения площади сечения зависят от типа сечения. В сварных Н-образных сечениях обычно изменяются высо­та и толщина вертикалов при сохранении постоянства расстояния между наружными гранями сечения. Горизонтал из условия необходимой ус­тойчивости и жесткости сечения должен иметь толщину не менее '/so расстояния между вертикалами и не менее 12 мм. Толщина вертикалов исходя из условий их устойчивости должна приниматься по табл. 8.5, при этом надо учитывать зависимость расчетного сопротивления стали, от толщины листа.

Основой швеллерных сечений являются два швеллера, которые про­ходят через все сечения (см. рис. 9.14, г).

Швеллерное сечение развивают путем добавления вертикальных ли­стов (см. рис. 9.14, д, е). Таким образом, высота швеллерных сечений может быть постоянной во всех стержнях.

После подбора сечений производят их проверку. Проверку сечений сжатых стержней ферм выполняют так же, как центрально-сжатых ко­лонн, по указаниям гл. 8: Н-образных—как сплошных, швеллерных — как сквозных с той разницей, что ширина b сечений здесь является за­данной, а не определяемой из условия равноустойчивости.

Раскосы при швеллерных или коробчатых поясах подбирают швел­лерного сечения (см. рис. 9.14,-г) или Н-образного (см. рис. 9.14, а или б) при Н-образных поясах. Швеллерные сечения более выгодны при работе на продольный изгиб и потому весьма часто применяются для длин­ных раскосов, но они более трудоемки при изготовлении по сравнению с Н-образными сечениями.

Ширину сечения раскосов определяют расстоянием между внутрен­ними гранями узловых фасонок; для простоты сопряжений на монта­же ширина их обычно берется на 2 мм меньше расстояния между граня­ми фасонок. Это можно игнорировать в расчете, но следует показывать на рабочих чертежах.

11. Виды сварных соединений

Сварные швы

Сварные швы классифицируют по конструктивному признаку, назна­чению, положению, протяженности и внешней форме.

По конструктивному признаку швы разделяют на стыковые и угло­вые (валиковые). В табл. 5.2 показаны виды, швов и необходимая форма разделки кромок соединяемых элементов различной толщины для обес­печения качественного соединения при автоматизированной и ручной сварке.

Стыковые швы наиболее рациональны, так как имеют наименьшую концентрацию напряжений, но они требуют дополнительной разделки кромок. При сварке элементов толщиной больше 8 мм для проплавления металла по всей толщине сечения необходимы зазоры и обработка кро­мок изделия (табл. 5.2). В соответствии с формой разделки кромок швы бывают V, U, X и К-образные. Для V- и U-образных швов, свариваемых с одной стороны, обязательна подварка корня шва с другой стороны для устранения возможных непроваров (рис. 5.2, и), являющихся источни­ком концентрации напряжений.

Начало и конец шва имеют непровар и кратер, являются дефектны­ми и их желательно выводить на технологические планки за пределы рабочего сечения шва, а затем отрезать (рис. 5.2,6).

При автоматической сварке принимаются меньшие размеры раздел­ки кромок швов вследствие большего проплавления соединяемых эле­ментов (табл. 5.2). Чтобы обеспечить полный провар шва, односторон­няя автоматическая сварка часто выполняется на флюсовой подушке, на медной подкладке или на стальной остающейся подкладке.

При электрошлаковой сварке разделка кромок листов не требуется, но зазор в стыке принимают не менее 14 мм.

Угловые (валиковые) швы наваривают в угол, образованный эле­ментами, расположенными в разных плоскостях. Применяющаяся при этом разделка кромок изделия показана в табл. 5.2.

Угловые швы, расположенные параллельно действующему осевому усилию, называют фланговыми, а перпендикулярно усилию — лобовыми.

Швы могут быть   рабочими или   связующими    (конструктивными),

Различают следующие виды сварных соединений: стыковые, вна­хлестку, угловые и тавровые (впритык) (рис. 5.1).

Стыковыми называют соединения, в которых элементы соединяются торцами или кромками и один элемент является продолжением другого (см. рис. 5.1, я). Стыковые соединения наиболее рациональны, так как имеют наименьшую концентрацию напряжений при передаче усилий, отличаются экономичностью и удобны для контроля. Толщина сварива­емых элементов в соединениях такого вида почти не ограничена. Стыко­вое соединение листового металла может быть сделано прямым или ко­сым швом. Стыковые соединения профильного металла применяются реже, так как затруднена обработка пх кромок под сварку.

Соединениями внахлестку называются такие, в которых поверхности свариваемых элементов частично находят друг на друга (см. рис. 5.1, б). Эти соединения широко применяют при сварке листовых конструкций из стали небольшой толщины (2—5 мм), в решетчатых и некоторых других видах конструкций. Разновидностью соединений внахлестку являются соединения с накладками, которые применяют для соединения элемен­тов из профильного металла и для усиления стыков,

Иногда стыковое соединение профильного металла усиливают на­кладками, и тогда оно называется комбинированным (см. рис. 5.1, в).

Соединения внахлестку и с накладками отличаются простотой обра­ботки элементов под сварку, но по расходу металла они менее эконо­мичны, чем стыковые. Кроме того, эти соединения вызывают резкую концентрацию напряжений, из-за чего они нежелательны в конструкци­ях, подвергающихся действию переменных или динамических нагрузок и работающих при низкой температуре.

Угловыми называют соединения, в которых свариваемые элементы расположены под углом (см. рис. 5.1, г).

Тавровые соединения (соединения впритык) отличаются от угловых тем, что в них торец одного элемента приваривается к поверхности дру­гого элемента (см. рис. 5.1,6). Угловые и тавровые соединения выполня­ются угловыми швами, широко применяются в конструкциях и отлича­ются простотой исполнения, высокой прочностью и экономичностью.

В ответственных конструкциях, в тавровых соединениях (например, в швах присоединения верхнего пояса подкрановой балки к стенке) же­лательно полное проплавление соединяемых элементов.

1. Болтовые соединения

Для соединения металлических конструкций помимо сварки приме­няют болты и заклепки. Болтовые соединения конструкций появились раньше сварных. Простота соединения и надежность в работе способст­вовали их широкому распространению в строительстве при монтаже ме­таллических конструкций.

Однако болтовые соединения более металлоемки, чем сварные, так как имеют стыковые накладки и ослабляют сечения элементов отверстиями для болтов. Последнее обстоятельство частично компенсировано допу­щением упруго-пластической работы элементов и введением коэффици­ента условий работы у>1, а для элементов стыка на высокопрочных болтах — уменьшением фактического ослабления за счет восприятия части действующего усилия трением между соединяемыми элементами за пределами ослабленного сечения.

В строительных конструкциях применяют болты грубой, нормальной и повышенной точности, высокопрочные, самонарезающие и фундамент­ные (анкерные). Болт для соединения конструкций имеет головку, глад­кую часть стержня длиной на 2—3 мм меньше толщины соединяемого пакета и нарезную часть стержня, на которую надевается шайба и на­винчивается гайка (рис. 6.1,а).

Болты грубой (ГОСТ 15589—70 с изм.) и нормальной (ГОСТ 7798— 70 с изм.) точности различаются допусками на отклонения диаметра болта от номинала. Для болтов грубой и нормальной точности отклоне­ния диаметра могут достигать соответственно 1 мм и 0,52 мм (для бол­тов rf^SO мм). Изготовляют болты из углеродистой стали горячей или холодной высадкой, иногда с последующей термообработкой. В зависи­мости от процесса изготовления различают несколько классов прочности болтов от—4,6 до 8,8 (табл. 6.1). Класс прочности болтов обозначен числами. Первое число, умноженное на 10, обозначает временное сопро­тивление (ав, кгс/мм2), а произведение первого числа на второе — пре­дел текучести материала (ат, кгс/мм2)'.

Болты в соединении ставят в отверстия на 2—3 мм больше диаметра болта, образованные продавливанием или сверлением в отдельных эле­ментах. В результате неполного совпадения отверстий в отдельных эле­ментах отверстие под болт имеет негладкую поверхность—«черноту» (тип С), что исключает плотную посадку болта в отверстие. Разница в диаметрах болта и отверстия облегчает посадку болтов и упрощает об­разование соединения; это большое преимущество таких болтов. Однако

неплотная посадка болта в отверстии повышает деформативность соеди­нения при работе на сдвиг и увеличивает неравномерность работы от­дельных болтов в соединении. Поэтому болты нормальной (и особенно грубой) точности не рекомендуется применять в конструкциях из стали с пределом текучести больше 380 МПа и в ответственных соединениях, работающих на сдвиг. Они находят широкое применение в монтажных соединениях, где болты работают на растяжение или являются крепеж­ными элементами.

Болты повышенной точности (ГОСТ 7805—70 с изм.) изготовляют также из углеродистой стали, и они имеют те же классы прочности, что и болты нормальной точности.

Поверхность ненарезной части тела болта обтачивается и имеет строго цилиндрическую форму. Диаметр отверстия для таких болтов не должен отличаться более чем на +0,3 мм от диаметра болта (плюсовый допуск для диаметра болта и минусовый допуск для отверстия не до­пускаются); поверхность отверстия должна быть гладкой, что может быть достигнуто сверлением отверстий в соединяемых элементах через специальные кондукторы-шаблоны, рассверловкой отверстий до расчет­ного диаметра после сборки элементов с ранее образованными отвер­стиями меньшего диаметра и, наконец, сверлением отверстий на проект­ный диаметр в собранных элементах (тип В).

Болты в таких отверстиях сидят плотно и хорошо воспринимают сдвигающие силы; однако недостаточность сил, стягивающих пакет, ухудшает его работу по сравнению с соединениями из высокопрочных болтах или на заклепках. Сложность изготовления и постановки болтов повышенной точности привела к тому, что соединения на таких болтах применяются редко

Высокопрочные болты (ГОСТ 22353—77 и ГОСТ 22356—77)  (сдвиго-устойчивые) изготовляют из легированной стали, готовые болты терми­чески обрабатывают (табл. 6.2). Высокопрочные болты являются болта­ми нормальной точности, их ставят в отверстия большего, чем болт, ди­аметра, но их гайки затягивают тарировочным ключом,   позволяющим создавать и контролировать силу натяжения болтов. Большая сила на­тяжения болта плотно стягивает соединяемые элементы и обеспечивает монолитность соединения. При действии на такое соединение сдвигаю­щих сил между соединяемыми элементами возникают силы трения, пре­пятствующие сдвигу этих элементов относительно   друг   друга.   Таким образом, высокопрочный болт, работая на осевое растяжение, обеспечи­вает передачу сил сдвига трением между   соединяемыми   элементами, именно  поэтому  подобное  соединение  часто  называют  фрикционным. Для увеличения сил трения поверхности элементов в месте стыка очи­щают от грязи, масла, ржавчины и окалины металлическими щетками, пескоструйным или дробеструйным аппаратом, огневой очисткой и не окрашивают.

Чтобы соединение с накладками с двух сторон работало надежно, необходима строго одинаковая толщина соединяемых элементов, так как даже при небольшой разности их толщин плотного прилегания элемен­тов добиться не удается и силы трения, а следовательно, и несущая спо­собность болта резко уменьшаются. Иногда между соединяемыми поверхностями, очищенными металли­ческими щетками, вставляют тонкую стальную прокладку, имеющую с двух сторон покрытие полимерным клеем с корундовым порошком. Та­кое решение позволяет выравнивать перепад плоскостей стыкуемых де­талей и одновременно дает высокий коэффициент трения.

Помимо сдвигоустойчивых, фрикционных соединений на высокопроч­ных болтах существуют соединения с «несущими» высокопрочными бол­тами, отличающиеся передачей сдвигающих усилий совместной работой сил трения, смятия и среза болта. Эти соединения будут иметь остаточ­ные перемещения, появляющиеся при преодолении начального трения и зависящие от плотности посадки болтов в отверстия, но зато их несущая способность существенно в 1,5—2 раза увеличивается и упрощается подготовка контактных поверхностей. Однако такие соединения не мо­гут быть рекомендованы в конструкциях, где остаточные перемещения нежелательны, и при вибрационных нагрузках.

Для улучшения работы соединения иногда также применяют комби­нированное клееболтовое соединение, в котором соединяемые поверхно­сти склеивают специальными клеями, а затем стягивают высокопрочны­ми болтами. Соединения на высокопрочных болтах обладают преиму­ществами обычных болтовых соединений по простоте устройства соеди­нения; по качеству работы они не уступают сварным соединениям, но уступают им по расходу металла. Применяются они в монтажных сое­динениях, имеющих большие сдвигающие силы, и при действии дина­мических и вибрационных нагрузок.

Самонарезающие болты (ТУ 34-5815-70) отличаются от обычных на­личием резьбы полного специального профиля на всей длине стержня для нарезания резьбы и завинчивания в ранее образованные отверстия соединяемых деталей (рис. 6.1,6). Материалом для них служит сталь СтЮкп термоупрочненная. Применяются они в основном rf —б мм для прикрепления профилированного настила к прогонам и элементам фах­верка, и их большим преимуществом является необходимость доступа к конструкции только с одной стороны.

Фундаментные (анкерные) болты (ГОСТ 24379.1—80) служат для передачи растягивающих усилий с колонн на фундамент. Их конструк­ция показана на рис. 6.1,е, а материалом служат стали марок ВСтЗкп2, 09Г2Си 10Г2С1,

2. Заклепочные соединения. Заклепочные соединения, являющиеся в прошлом основным видом соединений ме­таллических конструкций, из-за неудобств технологического процесса клепки (необхо­димость нагрева заклепок до температуры 800°С) и перерасхода металла на соеди­нение в настоящее время почти полностью вытеснены сваркой и высокопрочными бол­тами при монтаже. Они сохранили весьма ограниченное применение только в тяжелых конструкциях, подверженных воздействию динамических и вибрационных нагрузок, а также при использовании трудносвариваемых материалов — некоторые термообра-ботанные стали и алюминиевые сплавы. Заклепки изготовляют из специальной угле­родистой или низколегированнрй стали, обладающей повышенными пластическими свой­ствами. Отверстия в соединяемых элементах образуют так же, как в бол­товых соединениях. В образованные отверстия вставляют стержень заклепки, ударами пневматического молотка или давлением клепальной скобы его осаживают, увеличивая в диаметре, плотно заполняя отверстие с одновременным образованием за­мыкающей головки.

Клепку ведут горячим и холодным способами. При горячей клепке разогретую до ярко-красного каления заклепку вставляют в отверстие и клепкой образуют замыкающую головку. Поставленная заклепка, остывая, стягивает соединяемые эле­менты, что существенно улучшает работу соединения на сдвигающие силы благодаря возникающим при этом силам трения.

При холодной клепке, выполняемой только на заводе, металл заклепки пластически деформируется клепальной скобой, образуя замыкающую головку. Сила стягивания за­клепкой соединяемых элементов при этом получается значительно меньшей, однако сам процесс клепки более прост.

Работа заклепочных соединений на сдвиг носит промежуточный характер между работой обычных и высокопрочных (сдвигоустойчивых) болтов, так как силы стяги­вания пакета значительны, но недостаточны для восприятия сил сдвига только тре­нием. Поэтому' расчет их аналогичен расчету обычных болтов, а наличие сил трения учитывается повышением расчетных сопротивлений. Однако действующий СНяП 11-23-81 не дает расчетных указаний о заклепоч­ных соединениях, и при усилении существующих клепаных конструкций надо пользоваться норма­тивными указаниями прошлых лет.

1. Типы болтовых и заклепочных соединений. Различают две конструктивные разновидности соединений — стыки и прикрепления элементов друг к другу.

Стыки листового металла осуществляют двусторонними (рис. 5.7, а) или односторонними (рис. 6.7, б) накладками. Двусторонние накладки, обеспечивающие симметричную передачу усилия, предпочти-гельнее. Стыки с односторонней накладкой дают эксцентричное соедине-iue, в котором силовой поток отклоняется от своего первоначального вправления, возникают изгибающие моменты, и необходимое по расчету

Стыки профильного металла (рис. 6.8) выполняют накладками: уголки —уголковыми, двутавры и швеллеры — листовыми. Благодаря значительной жесткости самого соединяемого профиля эксцентриситет прикрепления накладок слабо сказывается на работе соединения, в свя­зи с чем число болтов против расчетного не увеличивается.

Прикрепление элементов осуществляют внахлестку (рис. 6.9). Для работы соединения предпочтительнее симметричное прикрепление эле­ментов с двух сторон (рис. 6.9, а). При одностороннем прикреплении жесткого элемента к гибкому, например уголка к фасонке (рис. 6.9,6), появляется эксцентриситет, что требует увеличения числа болтов соеди­нения на 10 % против расчетного.

Если возможная длина прикрепления элемента ограничена, то часть болтов располагают на специальных коротышах (рис. 6.9, в). Из-за увеличения пути передачи усилия через коротыш и большей деформативности соединения число болтов на одной из полок коротыша увели­чивают на 50 % против расчетного.

При конструировании болтовых соединений следует стремиться к применению болтов одного диаметра в пределах каждого конструктив­ного элемента и к наименьшему числу диаметров болтов во всем^соору-жении. Наибольшее применение находят в конструкциях средней мощ­ности болты диаметром tf=20—24 мм, а в тяжелых конструкциях диа­метром d = 24—30 мм.

Допускается элементы в узле крепить одним болтом. В соединениях на высокопрочных болтах в случае перепада плоскостей стыкуемых де­талей от 0,5 до 3 мм на выступающей детали должен быть сделан скос с уклоном 1 : 10. При перепадах более 3 мм необходимо применять про­кладки из стали той же марки, что и в конструкции, обработанные с двух сторон тем же способом, каким обрабатывались детали соединения.

2. Размещение болтов. При конструировании соединения следует стремиться к наилучшей передаче усилия с одного элемента на другой кратчайшим путем при одновременном обеспечении удобства выполнения соединения. В стыках и узлах прикреплений (для экономии материала накладок) расстояние между болтами должно быть минимальным.

В слабо работающих (связующих, конструктивных)" соединениях рас­стояние должно быть максимальным, чтобы уменьшить число болтов. Болты располагают в соединении по прямым линиям — рискам, па­раллельным действующему усилию. Расстояние между двумя смежными рисками называется дорожкой, а расстояние между ДВУМЯ смежными по риске болтами — шагом (рис. 6.10). Расстояние между центрами бол­тов и заклепок принимают по табл. 6.6 и рис. 6ЛО. Минимальное рас­стояние, указанное в табл. 6.6, определяют условиями прочности основ­ного материала. Максимальное расстояние определяют устойчивостью сжатых частей элементов в промежутках между болтами или условием плотности соединения растянутых элементов во избежание попадания в щели влаги и пыли, способствующих коррозии элемента. В профильных элементах (уголках, двутаврах, швеллерах) положе­ние рисок и возможные диаметры отверстий должны отвечать требуе­мой прочности элемента и практической возможности постановки бол­тов в соединениях. Риски на профильных элементах приведены в спра­вочниках металлических конструкций (МК). Для облегчения пользования кондукторами для сверления отверстий желательно иметь шаг и дорожку, кратную 40мм

12. Компоновка многопролетных рам

При проектировании многопролетных рам нужно учесть, что для до­стижения максимальной типизации конструкций каркаса желательно, чтобы все пролеты были равными и имели одинаковую высоту.

По условиям технологии производства не всегда удобны одинаковые пролеты, тогда нужно стремиться, чтобы количество их размеров было наименьшим {рис. 11.4,а). Наиболее часто здания проектируются с пло­ской кровлей (уклон 1,5 %) и внутренними водостоками.

Для неотапливаемых зданий необходимо устройство наружного от­вода воды. Иногда внутренние водостоки оказываются неприемлемыми по условиям технологического процесса (например, для сталеплавильных цехов). В таких случаях необходимо устройство двускатных покрытий, применение которых возможно из условия обеспечения водоотвода и аэрации при ширине здания до 70—80 м (рис. 11.4,6).

Проектирование отдельных пролетов с различной полезной высотой в многопролетных зданиях вызывается разнохарактерными условиями производства. В многопролетных зданиях с большими производственны­ми тепло- и газовыделениями рациональны перепады по высоте (при достаточной их величине). Требования освещенности заставляют в от­дельных случаях использовать перепады высот смежных пролетов для устройства дополнительного бокового освещения.

При компоновке конструктивной схемы многопролетных рам с раз­личной высотой пролетов приходится решать вопрос о применении в этих пролетах односкатных или двускатных покрытий. Для малых бо­ковых пролетов самыми простыми являются односкатные покрытия (см. рис. 11.4,6). Для больших смежных пролетов при возможности устрой­ства внутреннего водостока наиболее целесообразны двускатные фермы (см. рис. 11.4, а)' с различными уклонами i верхнего пояса. В случае невозможности устройства внутреннего водостока применяются односкатные покрытия. На   выбор   уклона   покрытия   влияет   тип   кровли, При рулонной кровле наиболее часто проектируются плоские покрытия

-

Мощные технологические агрегаты, особенно в металлургической промышленности, требуют иногда устройства в цехе тяжелых рабочих площадок, по которым двигаются железнодорожные составы, этажного расположения оборудования, повышенной аэрации, что вынуждает про­ектировать поперечную конструкцию цеха достаточно сложного профи­ля (рис. 11.4, в).

При компоновке многопролетных рам для наибольшей унификации объемно-планировочного решения установлен ряд общих рекомендаций и правил.

Следует стремиться к тому, чтобы здание было прямоугольным в плане, имело одинаковые пролеты и единую высоту. Если по условиям технологии это невозможно, то повышенные пролеты нужно группиро­вать по одну сторону от пониженных, число различных размеров про­летов всегда должно быть наименьшим. Перепады высот повышенной и пониженной частей здания меньше 1,8 м делать не допускается; все здание в этом случае целесообразно сделать одной высоты (по наиболь­шей высоте). Перепад высот смежных пролетов величиной 1,8 м целе­сообразен, если ширина пониженной части 5г60 м; перепад 2,4 м допу­скается, если ширина пониженной части ^36 м.

Определение компоновочных размеров для крайних рядов многопро­летных рам производится точно так же, как для однопролетных. Если в различных пролетах здания одной высоты краны имеют разную грузоподъемность, то размер Н2 (см. рис. 11.3) принимается по наибольшему крану. В этом случае при одинаковых отметках верха подкрановых ба­лок будет обеспечен {с запасом) габарит для кранов меньшей грузо­подъемности.

Компоновочные размеры средних колонн Яь Я2, Я0 для зданий без перепада высот (пролеты Л— Б, Б—В на рис. 11.4, а) принимаются та­кими же, как и для крайних. Заглубление средних колонн ниже уровня пола принимается одинаковым с крайними (600 — 1000 мм). Высоту се­чения верхней части средней колонны Лв в зависимости от грузоподъем­ности кранов и высоты колонны принимают 400, 700, 1000 мм. Высота сечения нижней части йн=2£, (рис. НА, г).

При наличии в смежных пролетах кранов разной грузоподъемности может оказаться, что привязки 1\ крановых рельсов к оси колонны для правого и левого крана различны, и нижняя часть колонны будет асим­метрична относительно разбивочной оси. Для средних колонн без пе­репада высот такие колонны обычно не проектируют, привязывая оба крановых рельса по наибольшему из размеров.

Определение компоновочных размеров рамы у рядов с перепадом вы­соты приведено на рис. 11.4, д, где изображена колонна в месте перепа­да высот, причем смежные пролеты разделены стенкой (на рисунке за­штрихована). В этом случае привязка кранового рельса низкого проле­та к разбивочной оси, очевидно, должна быть не менее, мм

где а — наружная привязка верхнеГ' части колонны; fCT — толщина стены; 450 мм — • габарит прохода с ограждением; В} — выступающая за рельс часть крана; 75 мм — необходимый зазор между краном и ограждением прохода.

Размер 1\ принимают с округлением до 250 мм в большую сторону. Высота сечения нижней части колонны AH=/1-f-i1 с привязкой граней асимметрично относительно разбивочной оси. Аналогичным образом ус­танавливают компоновочные размеры поперечных рам различных кон­фигураций.

Размеры подстропильных ферм (высота и длина панелей) увязыва­ются с высотой и шагом стропильных.

13. Стальные листовые конструкции. Резервуары, газгольдеры, трубы большого диаметра. Особенности расчета и конструирования. Примеры компоновки.

Листовыми называются конструкции, состоящие в основном из ме­таллических листов и предназначенные для хранения или транспорти­рования жидкостей, газов и сыпучих материалов.

К листовым конструкциям относятся: резервуары для хранения неф­тепродуктов, воды и других жидкостей; газгольдеры для хранения и распределения газов; бункера и силосы для хранения и перегрузки сы­пучих материалов; трубопроводы больших диаметров для транспорти­рования жидкостей, газов и размельченных или разжиженных твердых веществ; специальные конструкции металлургической, химической и других отраслей промышленности {кожухи доменных печей, воздухона­гревателей, пылеуловителей, электрофильтров, сосуды химической и нефтегазовой аппаратуры"и т. д.); дымовые и вентиляционные трубы, сплошностенчатые башни, градирни; защитные сооружения-оболочки АЭС.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ РАСЧЕТА

Большинство листовых конструкций является тонкостенными обо­лочками вращения. Поверхности таких оболочек имеют одну или две (для сферических оболочек) оси симметрии и два радиуса кривизны, перпендикулярные поверхности: г\ — меридиональный радиус, образу­ющий кривую вращения; г2 — кольцевой радиус вращения с началом на оси симметрии (рис. 21.1, а).

Оболочкой называется тело, ограниченное двумя поверхностями, расстояние между которыми (толщина оболочки t) мало по сравнению с другими ее размерами. Большинство оболочек имеет постоянную тол-шину, поэтому геометрия их определяется формой срединной поверх­ности.

Геометрия поверхности оболочки характеризуется гауссовой кривиз­ной. Различают оболочки: положительной гауссовой кривизны — сфе­рические и эллиптические; нулевой гауссовой кривизны —цилиндриче­ские и конические; смешанной кривизны — торообразные.

Под действием произвольной внешней нагрузки в оболочках возни­кают две группы усилий: 1) нормальные N\ и N2 и сдвигающие S\ и S2

усилия, действующие в плоскостях, касательных к срединной поверхно­сти оболочки (рис. 21.1,6); 2) изгибающие моменты Mi и М2, крутящие моменты М12 и Mz\ и поперечные силы Ql и Q2 {рис. 21.1, в).

Особенностью оболочек по сравнению с пластинками является то, что внешняя нагрузка уравновешивается в них в основном нормальны­ми и сдвигающими усилиями, поэтому оболочки работают главным об­разом на растяжение и сжатие, в связи с чем материал в них использу­ется более выгодно, чем в пластинках.

Если по толщине стенки оболочки напряжения постоянны, то напря­женное состояние оболочки называется безмоментным и приводится к определению усилий первой группы. Если напряжения приводятся к усилиям второй группы, то напряженное состояние оболочки называет­ся моментным. В зависимости от вида напряженного состояния разли­чают безмоментную и моментную теории оболочек.

Оболочки называются тонкостенными при //г<1/30, что всегда соб­людается для листовых конструкций. В соответствии с гипотезами Кирхгофа —Лява современными теориями расчета тонкостенных обо­лочек принято, что основное напряженное состояние оболочки на уча­стках, удаленных от ее краев, можно считать безмоментным.

 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ, КЛАССИФИКАЦИЯ И НАЗНАЧЕНИЕ РЕЗЕРВУАРОВ

Резервуарами называются сосуды, предназначенные для хранения нефти, нефтепродуктов, сжиженных газов, воды, жидкого аммиака, кис­лот, технического спирта и других жидкостей.

В зависимости от положения в пространстве и геометрической фор­мы резервуары делятся на цилиндрические (вертикальные, горизон­тальные), сферические, каплевидные, траншейные и др.

По расположению относительно планировочного уровня строитель­ной площадки различают надземные (на опорах), наземные, полуза­глубленные, подземные и подводные резервуары.

Резервуары могут быть постоянного и переменного объемов. Тип ре­зервуара выбирают в зависимости от свойств хранимой жидкости, ре­жима эксплуатации, климатических особенностей района строительства. Широкое распространение имеют вертикальные и горизонтальные ци­линдрические резервуары как наиболее простые при изготовлении и монтаже. Резервуары со стационарной крышей являются сосудами низ­кого давления, в которых хранятся нефтепродукты при малор! их обора­чиваемости (10—12 раз в год). В этих резервуарах при наполнении жидкостью образуется избыточное давление в паровоздушной зоне (до 2 кПа), а при опорожнении — вакуум (до 0,25 кПа).

Для хранения нефти и легкоиспаряющихся нефтепродуктов при большой оборачиваемости применяют резервуары с плавающей крышей, и понтоном. В них практически отсутствуют избыточное давление и ва­куум.

Резервуары повышенного давления (до 30 кПа) применяются для длительного хранения нефтепродуктов при их оборачиваемости не более 10—12 раз в год.

Для хранения больших объемов сжиженных газов применяют шаро­вые резервуары, для хранения бензина с высокой упругостью паров — каплевидные резервуары.

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ, КЛАССИФИКАЦИЯ И НАЗНАЧЕНИЕ ГАЗГОЛЬДЕРОВ

Газгольдерами называются сосуды, предназначенные для хранения и смешивания газов. Их включают в газовую сеть между источниками получения газа и его потребителями в качестве своеобразных аккумуля­торов, регулирующих потребление газа.

Газгольдеры применяют на металлургических, коксохимических и газовых заводах, в химической и нефтеперерабатывающей промышлен­ности, в городском хозяйстве для хранения природного или искусствен­ного газа и т. д.

По конструкции и характеру эксплуатации газгольдеры делятся на две группы: газгольдеры переменного объема (мокрые и сухие) и газ­гольдеры постоянного объема.

Газгольдеры переменного объема называют газгольдерами постоян­ного низкого давления, так как давление газа в них не превышает 4— 5 кПа. Газгольдеры постоянного объема имеют внутреннее давление га­за в пределах 250—2000 кПа и являются сосудами высокого давления.

Основные положения расчета. Газгольдеры переменного объема рассчитывают по методу предельных состояний в соответствии с указа­ниями специальных технических условий и главы СНиП П-23-81. В рас­четах учитывают следующие коэффициенты перегрузки: для собствен­ного веса конструкций rat —1,1; для давления газа под колоколом л2 = = 1,2; для давления воды в резервуаре п=\,1; для полезной (времен­ной нагрузки (2 кН/м2) на обслуживающие площадки и лестницы га=1,2; для снега на колоколе — на всей крыше или на половине по­верхности крыши интенсивностью, соответствующей данному району строительства, согласно СНиП [9], но не менее I кН/м2 (III район), п=1,4, при этом нагрузка на всей крыше, несмотря на сферическую ее поверхность, не уменьшается; для ветровой нагрузки с аэродинамичес­ким коэффициентом &~0,7 л =1,2.

При расчетах учитывают следующие сочетания нагрузок: основ­ные-— вес конструкций, давление газа и воды, снег на всей крыше или на половине ее поверхности, временные нагрузки на площадке; допол­нительные: а) нагрузки основные с односторонней снеговой нагрузкой, ветер, температурные и монтажные воздействия; б)' нагрузки основные без учета снеговой нагрузки, ветровая нагрузка; особые — нагрузки от собственного веса, воды и снега, сейсмические воздействия. Коэффици­енты сочетания нагрузок принимают по СНиП [9].

14. СОСТАВ КАРКАСА И ЕГО КОНСТРУКТИВНЫЕ СХЕМЫ

Каркасы производственных зданий в большинстве случаев проекти­руются так, что несущая способность (включая жесткость) поперек

здания обеспечивается поперечными рамами, а вдоль — продольными элементами каркаса, кровельными и стеновыми панелями.

Поперечные рамы (см. рис, 10.1) каркаса состоят из колонн (стоек рамы) и ригелей (в виде ферм или сплошностенчатых сечений).

Продольные элементы каркаса — это подкрановые конструкции, под­стропильные фермы, связи между колоннами и фермами, кровельные прогоны (или ребра стальных кровельных панелей).

Кроме перечисленных элементов в составе каркаса обязательно име­ются конструкции торцевого фахверка (а иногда и продольного), пло­щадок, лестниц и других элементов здания.

Конструктивные схемы каркасов достаточно многообразны. В карка­сах с одинаковыми шагами колонн по всем рядам наиболее простая кон­структивная схема — это поперечные рамы, на которые опираются под­крановые конструкции, а также панели покрытия или прогоны (рис. 10.2, а, 6). Такое конструктивное решение обеспечивает выполнение экс­плуатационных требований в большинстве машиностроительных цехов, в которых оборудование удобно размещается при относительно неболь­ших шагах колонн по внутренним рядам (6—12 м). Технологии произ­водств, размещенных во многих цехах металлургического производства (прокатные цехи, цехи раздевания слитков и т.д.), также позволяют ис­пользовать эту схему. Такая схема удобна для бесфонарных зданий и для зданий с продольными фонарями.

При необходимости освещения с помощью поперечных фонарей их конструкции также могут быть использованы для опирания панелей по­крытия (рис. 10.2,а, в). При необходимости больших шагов колонн по всем рядам можно использовать схему с продольным фонарем, несу­щим часть нагрузки от покрытия (рис. 10.2,г). На конструкции фона­ря опираются прогоны, расположенные параллельно фермам. Для опирания другого конца прогонов между колоннами устраивается подстро­пильная ферма. В случаях повышенных требований по освещенности помещений иногда используются каркасы с шедовым покрытием (рис. 10.2, д), в которых на ригели рам опираются конструкции поперечных фонарей, а на них —прогоны или панели покрытия.

При больших пролетах и шагах колонн эффективно применяются каркасы с пространственным ригелем (рис. 10.2, е). Ригель рамы вы­полняется в виде коробчатого сквозного сечения с консолями, на кото­рые опираются конструкции фонаря.

При относительно небольших пролетах используются сплошные рам­ные каркасы _(рис. 10.2, ж) для одно- и многопролетных зданий с пролетами 12—24 м, высотой помещения 5—8 м без мостовых кранов и с кранами грузоподъемностью до 20 т, с фонарями и без. Эти каркасы выполняются в виде бесшарнирных систем, трехшарнирных, трехшар-нирных с затяжкой. Мостовые краны опираются на консоли или уста­навливаются на легкие крановые эстакады. Каркасы очень удобны в из­готовлении, транспортировке, монтаже. Сечения рам составные из швел­леров и листовой стали или из гнутосварных профилей. Производство таких каркасов поставлено на поток, и в связи с этим они весьма эко­номичны. Использование таких схем при изготовлении малыми серия­ми экономически не оправдано, так как они всегда несколько тяжелее, чем сквозные системы.

Б цехах, где по средним рядам шаг колонн должен быть больше, чем по крайнему ряду, устанавливаются подстропильные фермы, на кото­рые опираются ригели рам (см. рис. 10.3, а, разрез 2—2). При кранах большой грузоподъемности и с большим расстоянием между колонна­ми часто оказывается целесообразным совместить функции подстро­пильных ферм и подкрановых конструкций и предусмотреть по средне­му ряду подкраново-подстропильную ферму (см. рис. 10.3,6, разрез 2— 2), на верхний пояс которой опирается кровля, а на нижний — краны. Конструктивные схемы каркасов различаются видом сопряжений (жесткое, шарнирное) ригеля с колонной. При жестком сопряжении  (рис. 10.4, а)" конструкция узла крепления фермы к колонне обеспечива­ет передачу моментов и в расчетной схеме принимается жесткий узел. При жестком сопряжении горизонтальные перемещения рам меньше, чем при таких же воздействиях на раму с шарнирным сопряжением.

Большая жесткость необходима в цехах с мостовыми кранами, ра­ботающими весьма интенсивно. В этих цехах горизонтальные перемеще­ния колонн могут препятствовать нормальной эксплуатации мостовых кранов. Однако жесткое сопряжение препятствует типизации ферм, на которые в этом случае передаются значительные опорные моменты, раз­ные для рам с разными параметрами. Поэтому жесткое сопряжение можно рекомендовать главным образом для однопролетных каркасов большой высоты при кранах ВТ и Т режимов работы с числом циклов загружения крановой нагрузкой 2Х106 и более. В остальных однопро­летных каркасах более целесообразно шарнирное сопряжение (рис. 10.4,6).

В многопролетных цехах горизонтальные нагрузки на одну раму вос­принимаются несколькими (а не двумя, как в однопролетных) колонна­ми, и поэтому даже в цехах большой высоты часто оказывается возмож­ным использовать шарнирное сопряжение.

В многопролетных цехах с пролетами разной высоты возможны ре­шения, при которых часть узлов проектируется жесткими, а часть — шарнирными (рис. 10.4, в).

Оттирание колонн на фундаменты в плоскости рам обычно конструи­руется жесткими (см. рис. 10.2, 10.3, 10.4,а—в), но возможно решение, при котором только часть колонн сопрягается с фундаментом жестко, а часть — шарнирно (рис. 10.4,г). Такое решение часто оказывается эко­номически выгодным при больших тепловыделениях во время эксплуа­тации здания.

Подкрановые конструкции в большинстве случаев опираются на ко­лонны каркаса, но возможны и конструктивные решения, при которых внутри цеха проектируется специальная крановая эстакада, состоящая из колонн, связей между ними, подкрановых и тормозных балок. Эста­када на вертикальные нагрузки работает раздельно с каркасом, и та­кое решение может оказаться целесообразным тогда, когда ожидается (после некоторого срока эксплуатации) увеличение грузоподъемности мостовых кранов.

Каркасы промышленных зданий изредка проектируются в виде ви­сячих конструкций, складок, оболочек, структур.

16. Подбор сечения и проверка несущей способности прокатных балок

Расчет на прочность прокатных балок, изгибаемых в одной из глав­ных плоскостей, производится по изгибающему моменту по формуле

Поэтому требуемый момент сопротивления балки «нетто» можно опре­делить по формуле

где R — расчетное сопротивление стали по изгибу; -у — коэффициент условий работы конструкции.

Выбрав тип профиля балки по требуемому моменту сопротивления, по сортаменту подбирают ближайший больший номер балки. Для раз­резных балок сплошного сечения из стали с пределом текучести до 580 МПа, находящихся под воздействием статической нагрузки, обеспечен­ных от потери общей устойчивости и ограниченной величине касатель­ных напряжений в одном сечении с наиболее неблагоприятным сочета­нием М и Q, следует использовать упругопластическую работу материа­ла и проверять их прочность по формулам:

при изгибе в одной из главных плоскостей и

при изгибе в двух главных плоскостях и т^0,5^ср

где Мтах,Мх,Му — значения изгибающих моментов; при т«0,5/?Ср ci = c; при 0,5/?сР< <т<0,9/?Ср ci = l,05pc; c,cf,ca принимаются по прил. 5; #Ср — расчетное сопротивление срезу (сдвигу); Й^нт, WI.HT, WV.HT — моменты сопротивления сечения нетто относитель-

но главных осей; р=У (1 — (t/#Cp)2]/[l— а(т//?ср)2] и t = Qlth; u = 0,7 для двутавро­вого сечения, изгибаемого в плоскости стенки, а = 0 для других типов сечений.

При наличии зоны чистого изгиба в формулах (7.10) и (7.11) вместо

коэффициентов сь сх и су следует принимать:

Для случая учета упругопластической работы при изгибе балки в одной из главных плоскостей подбор сечений можно производить по требуемому моменту сопротивления нетто по формуле

где первоначально принимается Ci=l,f, а затем уточняется.

Подобранное сечение проверяют на прочность от действия касатель­ных напряжений по формуле

где  Qmax — наибольшая  поперечная сила   на  опоре;    5 и  / — статический   момент  и момент инерции сечения; /Сг — толщина стенки балки.

Помимо проверок прочности балки необходимо в местах с больши­ми нормальными напряжениями проверять их общую устойчивость (см. гл. 3).

Устойчивость балок можно не проверять при передаче нагрузки че­рез сплошной жесткий настил, непрерывно опирающийся на сжатый пояс балки и надежно с ним связанный, а также при отношении рас­четной длины участка балки между связями, препятствующими попе­речным смещениям сжатого пояса балки /0 к его ширине 6, не превы­шающем: при 1<А/6г^6 и

где Ъ и f — соответственно ширина и толщина сжатого пояса; А0 — расстояние (высота)  между осями поясных листов; б=[1— 0,7- - —    ]  (для сечений балок, работающих упруго, о=1).

При недостаточном закреплении сжатого пояса балки ее общую ус­тойчивость проверяют по формуле

где    — момент сопротивления для сжатого пояса; ^=0,95 — коэффициент условий работы при проверке общей устойчивости балок.

Для балок двутаврового сечения с двумя осями симметрии фб — cpi при ф!<0,85 и «ре— 0,68-1-0,21 cpj при ф!>0,85. В этом случае критичес­кие напряжения потери устойчивости находятся в зоне упругопластиче­ской работы материала и определяются по формуле

где коэффициент ф принимают по прил. 6 в зависимости от закрепле­ния балки, вида и места приложения нагрузки и параметра а, характе­ризующего сечение. Для двутавровых балок с двумя осями симметрии при двух и более закреплениях сжатого пояса в пролете, делящих про­лет на равные части, при любом виде нагрузки, приложенной к любому из поясов, коэффициент ip = 2,25-bO,07a при 0 Для прокатных двутавров

 — момент инерции сечения при кручении.

Проверка устойчивости балок швеллерного и других типов сечений имеет свои особенности и должна проводиться в соответствии с указа­ниями СНиП.

Если при проверке выясняется, что общая устойчивость балки не обеспечена, то следует уменьшить расчетную длину сжатого пояса, изменив схему связей.

Проверка местной устойчивости поясов и стенки прокатных балок не требуется, так как она обеспечивается их толщинами, принятыми из условий проката.

17. Изменение сечения балки по длине

Сечение составной балки, подобранное по максимальному изгибаю­щему моменту, можно уменьшить в местах снижения моментов (в раз­резных балках — у опор). Однако каждое изменение сечения, дающее экономию материала, несколько увеличивает трудоемкость изготовления балки, и потому оно экономически целесообразно только для балок пролетом 10—12 м и более.

Изменить сечение балки можно, 'уменьшив ее высоту или сечение поясов (рис. 7.13). Изменение сечения уменьшением высоты стенки балки (см. рис. 7.13, а) более сложно, может потребовать увеличения толщины -стенки для восприятия касательных напряжений, а потому применяется редко.

Сечение балки можно изменить уменьшением ширины или толщины пояса. В сварных балках распространено изменение ширины пояса (см. рис. 7.13, 6"), высота балки при этом сохраняется постоянной (верхний пояс гладкий и возможны как поэтажное опирание балок, поддержива­ющих настил, так и укладка рельса подкрановой балки); менее удобно изменять толщину пояса, так как балка оказывается неодинаковой вы­соты (см. рис. 7.13, в), при этом усложняется и заказ стали.

В клепаных балках и балках с поясными соединениями на высоко­прочных болтах сечения изменяют уменьшением или увеличением числа горизонтальных листов (см. рис. 7.13, г).

В разрезных сварных балках пролетом до 30 м принимается одно изменение сечения пояса (по одну сторону от оси симметрии балки по длине). Введение второго изменения сечения поясов экономически не­целесообразно, так как дает дополнительную экономию материала лишь на 3—4 %. Более значительной экономии стали можно достигнуть путем непрерывного изменения ширины поясов (см. рис. 7.13, д), полу­чаемого диагональным раскроем широкополосной стали кислородной резкой. Однако оно связано с увеличением трудоемкости изготовления балки и применяется редко.

При равномерной нагрузке наивыгоднейшее по расходу стали место изменения сечения поясов однопролетной сварной балки находится на расстоянии примерно 1/& пролета балки от опоры: Действующий в этом месте момент может быть найден графически по эпюре моментов или по формуле

В балках переменного сечения развитие пластических деформаций следует учитывать только в одном сечении с наиболее неблагоприятным сочетанием М и Q, в остальных сечениях развитие пластических дефор­маций не допускается.

По моменту MI (х) определяют необходимый момент сопротивления сечения балки исходя из упругой работы материала и подбирают новое

сечение поясов. Ширина поясов при этом должна отвечать следующим условиям:

Возможен и другой подход. Задают ширину поясного листа уменьшен­ного сечения и определяют изгибающий момент, который может вос­принять сечение:

при M(x^ = Mi находят расстояние х от опоры, где изменяется сечение пояса.

Стык различных сечений пояса может быть прямым или косым. Прямой шов удобнее, но он будет равнопрочен основному металлу в растянутом поясе только при обязательном выводе концов шва на под­кладки и автоматической сварке или при ручной сварке с применением физических методов контроля. Иногда, желая упростить стык растяну­того пояса балки, делают его прямым с ручной или полуавтоматической сваркой без применения сложных методов контроля шва. В этом случае уменьшенное сечение пояса балки принимают из условия прочности стыкового шва на растяжение.

В балках с поясными соединениями на заклепках или болтах сече­ния изменяют количеством поясных листов (рис. 7.13, г).

Пример 7,4. Требуется изменить сечение сварной балки, подобранной в прим. 7.3 по длине. Место изменения сечения принимаем на расстоянии Ye пролета от опоры (рис. 7.14). Сечение изменяем уменьшением ширины поясов. Разные сечения поясов соединяем сварным швом встык электродами Э42 без применения физических методов контроля, т.е. для растянутого пояса /?СВ=0,85Я (см. гл. 5, § 4). Определяем расчет­ный момент и перерезывающую силу в сечении:

Подбор измененного сечения ведем по упругой стадии работы материала по форму­ле (7.9) аналогично прим. 7.3.

Определяем требуемый момент сопротивления и момент инерции измененного се­чения исходя из прочности сварного стыкового шва, работающего на растяжение: