Вопросы ГОС экзамен - ПГС. Металлические конструкции - файл n1.docx
приобрестиВопросы ГОС экзамен - ПГС. Металлические конструкции
скачать (1527.3 kb.)
Доступные файлы (1):
| n1.docx | 1528kb. | 13.09.2012 21:11 | скачать |
n1.docx
Область применения металлических конструкций, характер работы металлов на статическую нагрузку, концентрация напряжений, сортамент металлопроката.
Применение металла в строительстве: изготовление металлических конструкций (колонны, фермы, балки, сваи), мелкие металлические изделия для соединения металлических конструкций (шурупы, винты, гайки), тросы и канаты, применение для монтажных работ, стальной прокат, арм.атура.
Прокат – детали и изделия, изготовленные методом прокатки. Прокатка – это обработка металла давлением. Между 2-мя валиками прокатного станка, вращающимися в противоположные стороны, обрабатывается металл. Стальные изделия могут прокатываться в горячем состоянии при t 900–1250 (горячая прокатка) и небольшая часть изделий прокатывается в холодном состоянии (холодная прокатка).
Сортамент – совокупность профилей и размеров изделий. Стальной прокат делят на 4 группы:
1. Листов сталь:
- тонколистовая (<4мм),
- толстолистовая (>4мм).
2. Сортовая сталь:
- профили общего назначения (лента полосовая, квадратная, угловая, проволока, швеллер, двутавр),
- профили специального назначения (рельсы).
3. Специальные виды стали и трубы:
- гнутые профили (стальные оконные переплеты),
- трубы (бесшовные, сварные).
4. Арматура:
а) стержневая (горячекатаная):
- А-I (А240) стержни гладкие, d=6–40мм, монтажные петли, конструктивная арматура;
- А-II (А300) – d=10-40(80)мм, периодического винтового профиля, рабочая арматура без предварительного напряжения;
- А-III (А400), А-IIIв (А500) – профиль елочка 6-40мм, рабочая арматура для изготовления элементов без предварительного напряжения;
- А-IV (А600), А-V (А800), А-VI (А1000), А-VII (А1200) – профиль елочка d=10–32мм, рабочая арматура для предварительно напряженных конструкций;
б) проволочная (холоднокатаная):
- В-I, Вр-I (В500) – гладкая, d=3–5мм, конструктивная арматура;
- В-II, Вр-II (Вр1200-Вр1500) – высокопрочная холодного деформирования, в качестве напрягаемой арматуры (самостоятельно в виде крючков и канатов).
Работа стали под нагрузкой.
На растяжение. Если подвергнуть образец стали растяжению, то его работу можно представить на диаграмме НДС. Важнейшими показателями механическич свойств, характеризующих работу стали на растяжение, являются:
1. Предел текучести ?yn, соотвующий началу больших деформаций.
2. Временное сопротивление ?пр, отвечающее предельной нагрузке, воспринимаемой образцом.
3. Относительное удлинение, характеризующее пластические свойства материала; Ест=2,1*105МПа.
На участке 0-1 до предела упругости происходят упругие деформации, пропорциональные действующим напряжениям («стадия упругой работы образца»).
Участок 1-2 - при дальнейшем увеличивающемся нагружении деформации начинают расти быстрее напряжений.
Участок 2-3 - «стадия текучести»: последующее увеличение напряжений способствует росту количества и развитию больших деформаций образца при постоянном нагружении; образется площадка текучести; после снятия нагрузки появляются остаточные деформации.
Участок 3-4 - «стадия самоупрочнения»: сталь работает как упругопластичный материал; происходит увеличение сопротивления внешним воздействиям до временного сопротивления.
Участок 4-5 - образование шейки и разрыв образца.
На сжатие: В коротких элементах сталь работает так же, как и на растяжение, т.е. с аналогичным значениями предела текучести, модуля упругости и величины площадки текучести.
При сжатии длинных стержней элемент теряет свою устойойчивость и разрушается не от недостатка несущей способности, а от потери устойчивости, аналогично изгибаемому элементу.
Влияние температуры. Механические свойства малоуглеродистых сталей при нагреве до t=200-2500С изменяются сравнительно мало, но уже при t=300-3300С сталь становится более хрупкой и появляется «синеломкость». При дальнейшем увеличении температуры это свойство исчезает, но начинает уменьшаться значение предела текучести и временное сопротивление. При t=600-6500С наступает температурная пластичность. При t > 7000С свойства стали ухудшаются, происходит перегрев. А при длительном нагреве на воздухе до температуры плавления возможен пережег металла. Отрицательная t несколько увеличивает прочность стали, но увеличивает и ее хрупкость. При t<-100С пластичность стали резко снижается, а при t< -450С сталь становится хрупкой.
Работа стали при неравномерном распределени напряжений. В гладких образцах правильной формы напряжения в сечениях, удаленных от места приложения нагрузки, являются равномерно распределенными. Если в плоском образце сделать отверстие или утолщение, то линии силового потока отклоняются, сгущаясь около препятствия. Это приводит к появлению напряжений в этих местах, такое состояние называется концентрацией напряжений.
При статических нагрузках и нормальной t концентрация напряжения существенного влияния на несущую способнсть не оказывает, поэтому при расчетах элементов конструкций влияние таких воздейстий на прочность не учитывается, но при конструировании деталей, особенно в сварных конструкциях, необходимо учититывать. Площадь брутто - площадь элемента без учета ослаблений; площадь нетто - с учетом ослаблений.
Работа стали при повторяющихся нагрузках. При работе материала в упругой стадии повторное загружение не отражается на его работе (упругие деформации обратимы).
При работе материала в упруго-пластичной стадии после снятия нагрузки в образце появляются остаточные деформации.
При повторном нагружении работа образца резко меняется: предел упругости увеличивается, относительное удлинение до разрушения уменьшается.
При длительном перерыве упругие свойства материала восстанавливаются и достигают пределов предыдущего цикла. Это увеличение упругих свойств называется наклепом. При повторных нагружениях в пределах наклепа материал работает как упругий, но полное удлинение уменьшается в результате необратимых остаточных деформаций, полученных при первых нагружениях. Наклеп используется в алюминиевых сплавах и арматуре жбк; в стальн конструкцияхх не используется, т.к. наклепанная сталь склонна к хрупкому разрушению.
Усталость (старение) металла - разрушение под действием многократно повторяющихся нагрузок. Усталостное разрушение происходит вследствие накопления числа деформаций при каждом загружении, их концентрации в поврежденном месте и образования трещин.
Способность сопротивляться усталостному разрушению - выносливоть, напряжение, при кот металл разрушается - усталостная прочность.
Ударная вязкость. Склонность стали к хрупкому разрушению и чувствительность к концентрации напряжений проверяют испытанием на ударную вязкость - кол-во работы, затраченной на разрушение стандартного образца с надрезом; уменьшается с понижением t, а также после наклепа и старения. Чем больше ударная вязкость, тем меньше хрупкость стали.
Пластичное и хрупкое разрушение. Несущая способность элементов металлоконструкций, изготовленных из малоуглеродистой стали, зависит от услиления нагружения и t эксплуатации.
3 вида разрушений: вязкое, квазихрупкое, хрупкое.
Вязкое связано с развитием пластических деформаций в сечениях, а несущая способность элементов определяется развитием больших перемещений, т.е задолго до разрушения сооружение получает настолько большие деформации, что они становятся видны, и есть время усилить слабые места конструкции.
Квазихрупкое - кажущееся хрупкое разрушение, промежуточное между вязким и хрупким.
Хрупкое определяется разрушением при малых деформациях, материал разрушается внезапно без видимых деформаций. На хрупкость стали влияет ее качество, старение, наклеп, усталость, наличие концентрации напряжения, низкая t и ее резкие перепады. Сопротивление хрупкому разрушению можно увеличить путем легирования и термической обработки.
Виды сварных и болтовых соединений металлических конструкций. Работа и расчет соединений.
Сварка – процесс получения неразъемных соединений посредством установления межатомных связей между соединяемыми частями при их нагревании или пластической деформации.
Виды сварных соединений.
Стыковые - соединения, в которых элементы соединяются торцами или кромками, и один элемент является продолжением другого; наиболее рациональны, т.к. имеют наименьшую концентрацию напряжений при передаче усилий, экономичны и удобны для контроля. Толщина сварива емых элементов в таких соедтнениях не ограничена. Стыко вое соединение листового металла может выполнено быть прямым или ко сым швом.
Внахлестку - соединения, в которых поверхности свариваемых элементов частично находят друг на друга; широко примнняются при сварке листовых конструкций из стали небольшой толщины (2-5мм), в решетчатых и других видах конструкций.
Разновидность - соед-я с накладками применяют для соединения элементов из профильного металла и для усиления стыков. Внахлестку и с накладками - простота обра ботки элементов под сварку, но по расходу металла они менее эконо мичны, чем стыковые; вызывают резкую концентрацию напряжений, из-за чего они нежелательны в конструкциях, подвергающихся действию нагрузок и работающ при низкой t.
Угловые - соединения, в которых свариваемые элементы расположены под углом.
Тавровые соединения (соединения впритык) отличаются от угловых тем, что в них торец одного приваривается к поверхности дру гого элемента. Угловые и тавровые соединения выполняются угловыми швами, которые отлича ются простотой исполнения, высокой прочностью и экономичностью. В ответственных конструкциях в тавровых соединениях же лательно полное проплавление соединяемых элементов.
Виды сварных швов: по конструктивному признаку: 1. стыковые - соединение деталей в 1 плоскости; наиболее рациональны, т.к. имеют наименьшую концентрацию напряжений, но требуют дополнительной разделки кромок. При сварке элементов толщиной > 8мм для проплавления металла по всей толщине сечения необходимы зазоры и обработка кро мок изделия. 2. угловые (валиковые) - швы наваривают в угол, образованный элементами, расположенными в разных плоскостях.
По направлению действующих усилий угловые швы, расположенные параллельно действующему осевому усилию, называют фланговыми, а перпендикулярно усилию — лобовыми.
По назначению: рабочие, связующие (конструктивные)
По протяженности: сплошные, прерывистые (шпоночные).
По положению в про странстве во время их выполнения: нижние, вертикальные, горизонтальные, потолочные.
Сварка нижних швов наиболее удобна, легко поддается механизации, дает лучшее качество шва, а потому при проектировании следует предусматривать возмож ность выполнения большинства швов в нижнем положении. Вертикаль ные, горизонтальные и потолочные швы в большинстве выполняются при монтаже. Они плохо поддаются механизации, выполнить их вручную трудно, качество шва получается хуже, потому применение их в конструкциях следует по возможности ограничивать. Рис: а – стыковые; б – внехлестку (1-лобовые 2- фланговые); в – комбинированные ; г- угловые; д- тавровое.
Расчет соединений, выполняемых угловых швами. Угловые швы применяют в торцевых, угловых и внахлест соединениях и определяютют катетом k1, k2, вогнутостью m и выпуклостью g. Могут быть как фланговыми, так и лобовыми.
Фланговые швы, расположенные по кромкам прикрепляемого элемента, параллельно действ-му усилию, вызывают большую нерав ном-ть распред-ия напряж-й по ширине эл-та. Нерав номерно работают они и по длине
Лобовые швы передают усилия равномерно по ширине эл-та, но неравномерно по толщине шва. Неравномерность работы шва по длине заставляет ограничивать расчетную длину шва на величину ?4 катетов шва:
4kf ? l? ? 85?kf, где kf – катет, принимаемый не больше величины 1,2t (kf 1,2t) и не меньше значений, указанных в табл. 38 СНиП, t – толщина наиболее тонкого из свариваемых элементов.
Угловые швы рассчитывают независимо от ориентации шва по отношению к действующему усилию. Усилие принимается равномерно распределенным вдоль шва и рассматривается возможность разрушения шва от условного среза по одному из двух сечений: по металллу шва f и по металлу границы сплавления z. ?z, ?f – коэф-т качества шва по металлу границы сплавления и по металлу шва.
Условный срез по металлу шва:
где ?f – напряжения в расчетном сечении по металлу шва;
f – коэф-т качества шва по металлу шва по табл. 34 [5];
Rwf – расчетное сопротивление углового шва срезу по металлу шва;
wf - коэф-т условия раб шва; принимается =1, кроме швов констр-й экспл-мых при низкой t;
c – коэф-т условиия работы;
n – коэф-т надежности по назначению;
lw – расч длина шва: (1см на непроварку шва).
Расчет шва на условные разрез по металлу границы сплавления, где kf=1,2t:
Расчет сварных соединений с угловыми швами на действие момента в плоскости, перпендикулярной плоскости расположения этих швов, производится по 2 сечениям. Для пространственных строительных конструкций - на длину шва в нескольких плоскостях. Требуемая длина шва обушка (прикрепляющие уголки к фасонке):
Требуем длина шва пера:
kf = t-2, ? – коэф-т распределения напряжения между швом пера и швом обушка, принимается в зависимости от расположения уголка на фасонке.
При расчете следует определить, какая из 2 проверок (по металлу шва или металлу границы сплавления) будет иметь решающее значение. Для этого необходимо сравнить: ?f·R?f и ?z·R?z. Решающее значение будет иметь меньшее из величин.
Работа и расчет болтовых соединений.
На сдвиг при действии статической нагрузки.
На растяжение.
Конструкции болтовых соединений.
Металлические конструкции балочных площадок. Конструирование и расчет балок и центрально сжатых колонн составного сечения.
Компоновка балочных клеток (площадок).
Настилы балочных клеток.
Балка – простейшая конструкция, работающая на изгиб. ''+'' - простота конструкций, надежность в работе. ''-'' - большая материалоемкость. Мерой выгодности сечения балки является ядровое расстояние. Это зона сечения, при приложении нормальной силы в которой не возникают усилия. Чем больше ядровое расстояние, тем выгоднее балка.
В основном применяются разрезные балки на 1 пролет, т. к. они наиболее просты в изготовлении и монтаже. Основным типом сечения составных балок является двутавр, состоящий из трех листов: поясов и стенки. Болты принимают высокопрочные. В основном применяют сварные балки заводского изготовления. Область применения: рабочие площадки промзданий, подкрановые конструкции (пролет до 24 м), мостовые балки до 200 м. Применяются при действии значительных нагрузок. Также применяются в покрытиях.
Компоновка сечения составных балок сводится к определению высоты балок. Высота определяется по экономическим соображениям, допустимым прогибам и в ряде случаев строительной высотой.
1.
- при такой высоте балка имеет меньшую материалоемкость. 2.
- наименьшая рекомендуемая высота.3. Из условия строительной высоты - при поэтажной схеме h1=hсттр-hбн-tн; при сопряжении в одном уровне h2=hстр-tн. Назначают высоту балки близкой к оптимальной, по возможности большей hmin и меньшей одной из величин h1, h2.
Вторым этапом является определение толщины стенки.
Два условия:
1) из условия работы на срез с большой долей приближения
;2) из условия местной устойчивости (максимальная гибкость w=5, 5)
.После этого, зная требуемый момент инерции определяют размеры поясов.
При гибкости стенки
по СНиП расставляются поперечные ребра жесткости, а при 
в сжатой зоне стенки на расстоянии (0,3…0,25) hw ставятся продольные ребра. Размеры ребер регламентируются СНиП. В отдельных случаях для балок пролетом более 15 м выполняются укрупнительные стыки, которые могут быть на сварке или высокопрочных болтах. Для восприятия опорной реакции проектируются опорные ребра. Толщину поясов принимают в пределах 2-3 толщин стенки, т. к. при сварке более толстых листов возникают значительные усадочные напряжения. Ширину листов, как правило, принимают не менее 200 мм.Колонна состоит из трех частей: оголовок, база, стержень. В зависимости от нагрузки, действующей на колонну, ее сечение принимают или сквозным или сплошным. При N < 5000 кН – сквозная, при N > 5000 кН - сплошная. Сплошные колонны в виде прокатного двутавра, сварного двутавра, крестообразные, трубчатые, но, в основном, - двутавр.
Задается высота и толщина стенки из условия ее местной устойчивости, а по треб. площади определяются размеры поясов. После этого проверяется устойчивость стержня относительно оси Х и Y и в случае необходимости корректируются размеры сечения. Оси должны быть симметричны. Желательно, чтобы колонна была равноустойчивой в двух направлениях.
Сквозные колонны состоят из двух ветвей, соединенных решеткой из уголков или планками. Решетка обеспечивает совместную работу ветвей. Ветви проектируют из швеллеров или двутавров.
Подбор сечения начинают относительно материальной оси Х. Задаются гибкостью 50…80, определяют коэффициент продольного прогиба и определяют Атр=N/Ryc. Подбирают калибр профиля. Из условия равноустойчивости отн-но оси Х и У подбирают ширину колонны ''b'', учитывая гибкость отдельных ветвей, т. к. решетка обладает некоторой деформативностью. Этот фактор учитывается введением в расчет приведенной гибкости ef относительно свободной оси.
Чтобы сохранить неизменяемость контура поперечного сечения в сквозных колоннах ветви соединяются диафрагмами через 3-4 м по высоте колонны. В центрально сжатых колоннах возможен изгиб от случайных эксцентриситетов. От изгиба возникает Qfic, которая воспринимается решеткой. 2-ветв и более стержни в любом случае будут более деформативны, чем 1-ветв. за счет деформации решетки (относительно свободной оси).
Оголовок колонны служит для эффективной передачи усилия от вышележащей конструкции на стержень. При свободном опирании балку ставят обычно на колонну. В этом случае оголовок состоит из опорной плиты и ребер, поддерживающих плиту и передающих нагрузку на стержень колонны. Торцы опорных ребер обязательно строгают, чтобы обеспечить более плотное примыкание к плите оголовка. Ребро оголовка всегда ставится параллельно опорным ребрам балки. Рассчитываем шов, крепящий опорную плиту к ребру. вычисляем расчетную длину шва l, определяем kf. Рассчитываем шов, крепящий опорную плиту к колонне, задаемся kf и определяем lw. Отсюда hp=lw+1см и по сортаменту. Толщину ребра tр назначаем из условия среза и по сортаменту.
База служит для эффективной передачи усилий от стержня колонны на фундамент. База колонны состоит из опорной плиты, траверс, ребер жесткости и анкерных болтов. При шарнирном сопряжении анкерные болты ставятся конструктивно для фиксации и прикрепляются непосредственно к опорной плите. При жестком сопряжении анкера крепятся через специальные выносные консоли и затягиваются усилием, близким к расчетному сопротивлению. анкеров при шарнирном сопряжении – 20…30 мм, при жестком –30…36. Размер опорной плиты – из конструк. соображений из условия размещения стержня колонны на плите с min свесом 40 мм. Опорная плита работает как пластина на упругом основании, на изгиб от отпора фундамента. При этом деформации направлены вверх. Давление фундамента принимается равномерно по всей поверхности. Высота траверсы – из условия шва крепления к колонне. Для внецентренно сжатой колонны база применятся только с траверсами. Конструктивное решение базы зависит от способа сопряжения колонны с фундаментом и может быть жестким или шарнирным.
Колонна работает на внецентренное сжатие. Расчетные усилия: M, N, Q. При расчете проверяется прочность, а также общая и местная устойчивость элементов. Сечение ступенчатой колонны подбирают отдельно для верхнего и нижнего участков.
В сплошных колоннах так как верхняя часть колонны не подвержена непосредственному воздействию динамических нагрузок, расчет ведется с учетом развития пластических деформаций. В сквозных колоннах стержень состоит из двух ветвей: наружной и подкрановой. Двутавр принимают ''К'' или ''Ш''.
Считается, что ветви колонны работают на центральное сжатие, в то время как вся колонны – на внецентренное сжатие. Из условия местной устойчивости стенки определяется толщина стенки (для сварного швеллера).
Решетка колонны рассчитывается на наибольшую перерезывающую силу.
В колоннах постоянного сечения при небольших кранах применяют обычно одноступенчатые консоли. При кранах большой грузоподъемности колонны выполняются сквозными, а консоль устраивается в виде усиленных швеллеров или двутавров. Учитывая возможность неравномерной передачи усилия на ветвь колонны, усилия в каждой ветви увеличивают на 20.
В промзданиях колонны имеют жесткое сопряжение в плоскости рамы, а из плоскости рамы – шарнирное. Существует два типа баз: общие и раздельные. Общие базы применяются для сплошных колонн, а также для сквозных колонн и если hн < 1000мм. В остальных случаях база раздельная.
Металлические фермы и их классификация. Конструкция ферм. Расчет ферм и подбор сечений стержней.
Фермы являются большепролетными сквозными конструкциями. Основное назначение: в конструкциях покрытия, мосты, башни и мачты, опоры ЛЭП. Основные ''+'': малая металлоемкость, легко придать любое очертание, относительно простое изготовление. ''-'': высокая трудоемкость.
Классификация. По статической работе фермы:
1) разрезные (наиболее распространены),
2) неразрезные.
Выбор очертания является важным этапом проектирования. Очертание должно соответствовать статической схеме, а также виду нагрузок, определяющих эпюру моментов.
Треугольные фермы применяют при значительных уклонах кровли, вызванных условиями эксплуатации. ''-'': острый опорный узел сложен и допускает лишь шарнирное опирание, стержни решетки в середине пролета получаются очень большими.
Трапециевидные фермы – такое очертание достаточно хорошо соответствует эпюре моментов, возможно устраивать жесткое сопряжение со стойкой. Стержни решетки относительно короткие. Решен естественный водоотвод с кровли.
Фермы полигональной формы наиболее применимы для конструирования тяжелых ферм больших пролетов. В основном мостовые фермы. В наибольшей степени соответствует эпюре моментов, что дает значительную экономию металла. Однако, при этом значительно возрастает трудоемкость. Для легких ферм такое очертание нерационально, т. к. конструктивные усложнения и повышенная трудоемкость не окупаются экономией стали.
Фермы с параллельными поясами - существенные конструктивные плюсы, т. к. одинаковые длины элементов, одинаковые схемы узлов, min кол-во стыков поясов. Для рулонных кровель – основные конструкции. Возможны две схемы опирания на колонну: сверху и сбоку. Высота треугольных ферм в зависимости от пролета и уклона кровли, однако наиболее рациональна высота 1/5…1/6 пролета. В остальных фермах наилучшая высота зависит от пролета и количества панелей. По условиям жесткости min высота определяется допустимым прогибом.
Решетка фермы работает на перерезывающую (поперечную) силу, выполняя функцию стенки в сплошной балке. Решетка должна соответствовать схеме приложения нагрузки, чтобы по возможности избежать изгиба верхнего пояса.
А) Треугольные решетки являются основным типом в трапециевидных фермах и в фермах с поясами. Как правило, в решетку добавляют дополнительные стойки, а иногда и подвески, позволяющие уменьшить расстояние между узлами, что значительно уменьшает расчетные длины стержней.
Б) Раскосная решетка проектируется таким образом, чтобы раскосы были растянутыми, а стойки – сжатыми. Это достигается при нисходящих раскосах в фермах с поясами и восходящих раскосов в треугольной ферме. В треугольных фермах такая решетка применяется очень редко из-за сложности узлов и повышенной материалоемкости.
В) Специальная система решеток. При большой высоте ферм и рациональном угле наклона раскосов 45 панели верхнего пояса получаются очень большими. Чтобы уменьшить длину панелей, сохранив рациональный угол наклона применяют шпренгельную решетку. Более трудоемка и материалоемка, однако такая решетка позволяет получить рациональное расстояние между узлами верхнего пояса при рациональном угле наклона раскосов, а также уменьшить расчетную длину верхнего пояса и сжатых раскосов.
При нагрузках, действующих со стороны верхнего и нижнего поясов применяют крестовую решетку. Применяют в основном в связевых фермах, в вертикальных фермах башен, мачт и высоких зданий. Такие фермы более материалоемки и трудоемки.
При значительных поперечных силах и двухсторонней нагрузке возможно применение ромбической и полураскосной решетки. Обладают очень высокой жесткостью, однако более трудоемки и материалоемки.
В фермах пролетом >36м выполняется строительный подъем, что предотвращает возникновение больших прогибов. Величина строительного подъема составляет прогиб от нормативной нагрузки + 1/200 пролета.
Стержни тяжелых ферм отличаются более мощным сечением, что объясняется большими расчетными длинами и большими усилиями. Иногда тяжелые фермы подвержены динамическим нагрузкам, их выполняют клепаными. Применяют следующие типы сечения:
а) Н-образные сечения выполнены из 2 вертикальных листов и горизонтального листа. Применяются парные фасонки, что облегчает конструирование, не очень трудоемки, применяют как для поясов, так и для решетки.
Б) Швеллерные сечения. Применяют парные фасонки. Хорошая устойчивость в обеих плоскостях, поэтому целесообразно применять в сжатых стержнях большой длины. ''-'': наличие двух ветвей, которые необходимо соединять планками и решетками.
В) Коробчатые сечения. Очень мощные сечения, применяются, как правило, в верхних поясах мостовых ферм.
Г) Сечение из двутавров с параллельными поясами. Применяются как одиночные, так и парные двутавры в поясах и решетках.
Д) Трубчатые сечения. Затруднено конструирование ферм из труб, поэтому применяются редко.
Стержни легких ферм. Для удобства изготовления и комплектования сортамента металла обычно устанавливают 4-6 различных калибров профиля, из которых подбирают все элементы. При значительных усилиях в поясах ферм их можно проектировать из стали двух типов. В легких фермах пролетом до 30 м пояса принимают из одного профиля. В легких фермах применяют стержни из одиночных уголков, парных уголков, широкополочных тавров, трубчатого сечения.
Замечания: 1) чтобы избежать дополнительных напряжений, стержни ферм центрируют в узлах по осям, проходящим через центр тяжести сечения с округлением до 5 мм. В противном случае необходимо учитывать дополнительный момент М = Ne.
2) Чтобы уменьшить сварочные напряжения, стержни решетки не доводят до пояса на расстояние а = 6tфасонки, , но не более 80 мм. Расстояние между торцами поясов на одной фасонке не менее 50 мм.
3) Допустимая разница в толщине фасонок между смежными узлами =2 мм. Толщина фасонки зависит от усилия в стержнях, для легких ферм принимается от 6 до 20 мм.
4) Стропильные фермы пролетом от 18 до 36 м разбивают на два отправочных элемента с укрупнительным стыком в середине.
Подбор сечений элементов металлических ферм. Для удобства изготовления при проектировании ферм устанавливают 4-6 различных калибров профиля, из которых подбирают все элементы. Для предварительной установки необходимого ассортимента профилей ориентировочно определяют требуемые площади сечений для всех стержней фермы.
Стержни, составленные из 2 профилей, соединенных через прокладки, рассчитывают как сплошностенчатые. Из условия обеспечения необходимой жесткости при перевозке и монтаже в сварных фермах используют уголки с полками ? 50 мм. При значительных усилиях в поясах ферм подбор сечений стержней производят из сталей 2 марок. При изменении сечения поясов в стыке целесообразно сохранять постоянной толщину уголков по обеим сторонам стыка, изменяя ширину полки.
А) Для сжатых стержней:
1. Подбор сечения начинают с определения требуемой площади:Атреб = N/?R,
где N - расчетное усилие; R - расчетное сопротивление материала; ? -коэффициент продольного изгиба в зависимости от гибкости элемента. В предварительном подборе можно принять гибкость для поясов 80-100, для раскосов 100-120.
2. Определение требуемого радиуса инерции по оси х и у: ix(y)тр = l0x(y)/?, где l0x(y) – расчетная длина стержней.
3.По найденным значениям радиусов инерции и требуемой площади сечения согласно сортамента подбирают наиболее подходящие профили.
4.Определяют фактическое значение радиусов инерции подобранного сечения и подсчитывают гибкость ?x(y) = l0/ix(y).
5. По максимальной гибкости определяют коэф-т продольного изгиба ?min.
6. Производят проверку на общую устойчивость ? = N/ ?minA ? R?.
7. Окончательный подбор сечений стержней фермы осуществляют в табличной форме.
Б) Для центральнорастянутых стержней:
1. Oпределяют требуемую площадь сечения: Атреб = N/R.
2. При подборе сечения стержней фермы фактические гибкости x и y сравнивают с max=400.
3. При окончательном подборе сечений стержней фермы рекомендуется не менять сечение поясов более чем 1 раз, а при пролетах до 24м делать постоянным по наибольшему усилию. Толщину прокладок, обеспечивающих совместную работу уголков, принимают = толщине фасонки. Расстояние междуу прокладками принимают в сжатых стержнях ? 40i, в растянутых ? 80i, где i-момент инерции уголка относительно оси, параллельной плоскости прокладки. При этом в пределах длины 1 элемента ставят не менее 2 прокладок.
Металлические каркасы одноэтажных промышленных зданий. Состав, особенности работы, действующие нагрузки, статический расчет.
Металлические колонны и подкрановые балки одноэтажных промзданий. Особенности работы. Конструкция и расчет.
Проверку устойчивости из плоскости рамы производят по формуле:
Балочные, рамные и арочные большепролетные металлические покрытия. Особенности работы, конструкции и расчета.
Основной особенностью большепролетных конструкций перекрытий, является то, что они в основном работают на нагрузку от собственного веса несущих и ограждающих конструкций, поэтому уменьшение собственного веса конструкций является главной задачей инженера. В связи с этим здесь рационально применять стали повышенной и высокой прочности, алюминиевые сплавы и легкие эффективные утеплители; предварительное напряжение как в несущих, так и в ограждающих конструкциях.
Другой особенностью большепролетных конструкций перекрытий является устройство (при необходимости устройства верхнего естественного освещения) поперечных фонарей используя при этом большую высоту несущих конструкций.
Балочные большепролетные конструкции – применяют в случаях, когда опоры не могут воспринять распорных усилий, т.е. при опирании на каменные стены, железобетонные колонны и т.п. По расходу металла балочные системы тяжелее рамных и арочных, но проще в изготовлении и монтаже.
Балочные системы преимущественно применяют в общественных зданиях (концертных и спортивных залах и др.).
При пролетах 50 и более метров применяются фермы (сплошные балки при таких пролетах невыгодны по затрате металла).
Компоновка балочных покрытий при пролетах 40х60 м выполняется аналогично покрытиям производственных зданий. При больших пролетах предпочтительнее становится балочная компоновка: блок образуется двумя фермами с шагом 6м, а расстояние между двумя блоками 18х24 м, которое перекрывается легкими формочками.
Хорошую основу для устройства большепролетных балочных систем дают трехгранные фермы с предварительным напряжением, удобные в изготовлении, транспортировании и монтаже (т.е. те же блочные конструкции).
При пролетах более 40м необходимо одну из опор балочной конструкции устраивать подвижной, чтобы исключить возможность передачи на стены распорных усилий, возникающих в результате упругих деформаций нижнего пояса ферм.
Подвесной потолок обычно опускают (на 0.5 м) относительно нижнего пояса ферм, с тем чтобы фермы были полностью доступны для осмотра и окраски.
Рациональным для пролетов 50-100 м является блок предварительно напряженной конструкции, в котором несущая конструкция совмещена с ограждающей: две вертикальные фермы с шагом 3м и соединенные по верхним и нижним поясам листами толщиной 1.6 и 1.0 мм (верхний пояс предварительно напрягается изгибным способом для того, чтобы он мог работать на сжатие), монтажный блок состоит из четырех отправочных блоков размерами 3х12м каждый и опирается на подстропильные конструкции.
При перекрытии больших пролетов применяют двухшарнирные и бесшарнирные рамы. По сравнению с фермами высота ригелей рам применяется относительно меньшей, что приводит к уменьшению высоты стен и сокращает объем помещения и, следовательно, удешевляет эксплуатацию здания.
Рамные системы в перекрытиях больших пролетов могут иметь разнообразные очертания: в гаражах и ангарах рамы имеют небольшую высоту по сравнению с пролетом, а в павильонах и некоторых производственных зданиях рамы имеют значительную высоту. Рамы могут быть сплошными (при l=50-60м) и сквозными.
Сплошные рамы чаще проектируют двухшарнирными с затяжкой на уровне шарниров (ниже уровня пола) для восприятия распора, а давая предварительное напряжение затяжке можно разгрузить ригель рамы. Высота ригеля принимается равной 1/30 - 1/40 пролета.
Сквозные рамы с мощным ригелем проектируют двухшарнирными (пролетами 60-120м) и бесшарнирными (пролетами 120-150м). Шарниры устраиваются на уровне фундаментов или в местах сопряжения ригеля со стойками (упрощается монтаж конструкций, но зато более мощными получаются фундаменты и отсутствуют разгружающие ригель опорные моменты).
Относительная высота ригеля решетчатой рамы принимается в пределах 1/12-1/20 от пролета, но и при такой высоте ригель получается не габаритным по условиям перевозки и его приходится перевозить на монтаж россыпью.
Для уменьшения изгибающего момента в ригеле рамы применяют несколько приемов: передачей веса стены или покрытия пристроек на верхний узел стойки рамы; смещением в двухшарнирной раме опорных шарниров с оси стойки внутрь помещения;
предварительным напряжением затяжки, расположенной на уровне опорных шарниров; предварительным напряжением затяжки, расположенной в пределах ригеля.
Ригель решетчатой рамы может быть трапецевидным (при необходимости обеспечения стока воды) или с параллельными поясами (надворотная рама в ангарах).
При больших пролетах и нагрузках ригели рам проектируют как тяжелые фермы, а при пролетах 40-50м как легкие фермы.
При высоте рам 15-20м и пролетах 40-50м (перекрытия выставочных павильонов, крытые рынки, вокзалы и т.п.) можно применять решетчатые рамы с ломаным ригелем. Рамы такого очертания обычно имеют одинаковую высоту сечений стоек и ригеля (1/15-1/20 пролета) конструируют такие рамы по типу легких ферм.
Компоновка рамных покрытий небольших пролетов (40-50м) аналогична компоновке производственных зданий; при больших пролетах и отсутствии крановой нагрузки предпочтительнее блочная компоновка с постановкой блоков через 18-24м. Отличительной особенностью компоновки конструктивной схемы каркаса ангаров является размещение основных несущих элементов (рам) в направлении большего размера плана здания, вызванное необходимостью устройства по фасаду сплошного проема для ворот. При больших пролетах ворот (100-120м) и сравнительно небольшой глубине (40-50м) более рациональной оказывается другая компоновка: над воротами устанавливают основную несущую конструкцию (раму), на которую опирают стропильные фермы. Другим концом фермы опирают на колонны. Высота стропильных ферм получается меньше надворотной рамы, благодаря чему под стропильными фермами остается свободное пространство, которое используется для размещения подвесных подъемно-транспорных приспособлений.
В ангарах помимо общей системы связей должна быть горизонтальная ветровая ферма на уровне верха ворот.
При наличии второго вспомогательного помещения для ангаров применяют консольные системы с расположением ворот под консольным вылетом. Такие системы получаются весьма экономичными по расходу материала.
Особенности расчета и конструирования.
При расчете легких рам (сплошных или решетчатой с густой решеткой) их приводят к эквивалентным сплошным рамам, что значительно упрощает расчет рам.
Мощные сквозные рамы (типа тяжелых ферм) рассчитывают как решетчатые системы с учетом деформаций всех стержней.
Прогиб большепролетных рам определяется только от временной нагрузки (от постоянных нагрузок прогиб компенсируется строительным подъемом).
Арки как несущие конструкции покрытия применяются в выставочных павильонах, спортивных и киноконцертных залах, крытых рынках, ангарах и т.п. По затрате металла арки значительно выгоднее, чем балочные и рамные системы.
Применяются арки трех систем: двухшарнирные, трехшарнирные, безшарнирные.
Наиболее широко применяются двухшарнирные арки. Они более просты и менее трудоемки при изготовлении и монтаже; менее чувствительны к температурным воздействиям и осадкам опор (существенных напряжений от этих воздействий в них не возникает). Трехшарнирные арки не имеют особых преимуществ по сравнению с двухщарнирными, так как их статическая определимость при достаточной деформативности арок не имеет существенного значения, а наличие ключевого шарнира осложняет конструкцию самих арок и устройство кровельного покрытия. Безшарнирные арки наиболее экономичны по расходу металла, но требуют устройства более мощных опор и они более чувствительны к температурным воздействиям и неравномерным осадкам опор.
Арки распорные конструкции. Для восприятия распора требуются либо мощные фундаменты (или другие опоры), либо при слабых грунтах ставятся затяжки (обычно ниже уровня пола) и тогда фундаменты воспринимают только вертикальные нагрузки и поэтому получаются более легкими. При опирании на стены распор также обычно воспринимается затяжкой устанавливаемой на уровне опорных шарниров (в этом случае затяжку используют для устройства подвесного потолка и для создания предвари-тельного напряжения в арках). В случаях, когда хотят увеличить полезную высоту помещения, не увеличивая высоты здания, затяжку располагают выше опорных шарниров.
При опирании арок на уровне земли в павильонах, крытых рынках и вокзальных перекрытиях арки часто проектируют с вертикальным участком над опорами (это принимается с архитектурной точки зрения и лучшего использования помещения). Такие арки приближаются по своей работе к рамам и становятся менее выгодными по затрате металла (возрастают изгибающие моменты). В многопролетных арочных покрытиях распоры смежных пролетов от симметричных нагрузок в значительной мере уравновешиваются и средние опоры работают на изгиб только от несимметричных нагрузок и опоры таких арок имеют небольшое сечение (не загромождают помещение).
Конструкции арочных покрытий при расчете расчленяют на отдельные плоские элементы (арки, главные прогоны), которые рассчитывают методами строительной механики и с применением ЭВМ. При предварительных расчетах сквозные арки заменяются эквивалентными сплошными. Кроме того необходимо учитывать дополнительные напряжения, возникающие от обжатия ветвей (поясов). По этим усилиям подбирают сечения поясов и раскосов рассматривая их как центрально нагруженные элементы.
Арка в целом работает в основном на сжатие с изгибом, поэтому необходима проверка на устойчивость.
Для обеспечения устойчивости арки из плоскости ставятся связи и связанные с ними прогоны (расстояние между закрепленными точками сжатого пояса не должно превышать 16-20 ширин пояса). При значительных пролетах шаг арок принимается 12м и более. Это приводит к усложненной промежуточной конструкции: по аркам укладывают главные прогоны, на которые опираются ребра-прогоны, поддерживающие кровельный настил. При этом главные прогоны могут располагаться в наклонных плоскостях, что приводит к их работе на косой изгиб. При этом плоские прогоны необходимо подкреплять наклонными тягами к узлам арок или применять трехгранные или спаренные прогоны. Ребра-прогоны конструируются как многошарнирные арки с шарнирами на прогонах. При этом ребра передают на прогоны только нормальную составляющую от давления кровли, а скатную составляющую воспринимают сами и передают на фундамент.
При больших пролетах и высотах основных несущих конструкций условия монтажа стимулируют переход к блочной компоновке. Устройство устойчивых пространственных блоков достигается спариванием соседних плоских арок или применением трехгранных сечений. Расстояние между блоками принимается укрупненное (18-24м), которое перекрывается легкими фермочками. Арки соединяют в ключе продольными связями. В высоких арках такие же связи располагают в нижней части арок (у угла перегиба (в рамных арках) или не далеко от опор).
Поперечные связи в торце здания рассчитывают на ветровую нагрузку: при пологих арках рассчитывают как плоскую по размерам горизонтальной проекции, а полученные усилия делят на косинус угла наклона стержня к его проекции; для крутых арок такой расчет дает заниженные усилия, поэтому правильнее рассчитывать связевую ферму как пространственную оболочку: усилия в раскосах связей можно получить произведя поперечный разрез и спроектировав все силы на направление распорки.
Полученные усилия от ветровой нагрузки складываются с усилием от собственного веса и веса снега. Усилия от ветровой нагрузки за вычетом усилий от собственного веса могут вызвать растягивающие усилия в анкерных болтах, на которые они и рассчитываются.
Перекрестно-стержневые плиты, цилиндрические и купольные покрытия из металла. Особенности работы, конструкции и расчета.
Перекрестно-стержневые плиты представляют собой конструкции, состоящие из многократно повторяющихся элементарных ячеек (пирамид, призм и т. д.), построение которых основано на законах кристаллографии. Такие конструкции называют регулярными системами. При нарушении геометрической структуры, например наличии отдельных пропущенных стержней в зонах конструкции с зенитными фонарями, системы становятся нерегулярными, а при организованной нерегулярности — дифференцированными. Перекрестно-стержневые плиты могут иметь одинаковое или различное строение верхней и нижней поясных сеток, что в значительной степени влияет на изгибающие и крутящие моменты, возникающие в системе, на ее металлоемкость и трудоемкость изготовления.
В настоящее время в практике строительства наиболее распространены регулярные ортогональные стержневые системы на основе пентаэдров (полуоктаэдров) и регулярные на основе равносторонних треугольников-тетраэдров.
Благодаря пространственной работе перекрестно-стержневой конструкции в ней имеется возможность перераспределения усилий между максимально нагруженными и малонагруженными элементами. В результате повышается эксплуатационная надежность и уменьшается чувствительность конструкции к большим сосредоточенным нагрузкам, сейсмическим воздействиям, подвижным нагрузкам и т. д. Кроме того, эти конструкции обладают высокой жесткостью, что в необходимых случаях позволяет подвешивать крановое оборудование, переставлять опоры в процессе эксплуатации здания, а также вдвое снижать строительную высоту конструкции покрытия по сравнению с высотой покрытий по обычным фермам.
В отличие от других типов пространственных конструкций, перекрестно-стержневые обеспечивают простоту устройства плоских малозаносимых снегом, солнцезащитных, водоналивных крыш, а плоская нижняя поверхность с частым шагом узлов облегчает устройство легких подвесных потолков и трансформирующихся стен и перегородок.
Перекрестно-стержневые плиты, состоящие из мелкоразмерных унифицированных стержневых и узловых элементов полной заводской готовности, создают возможность взаимозаменяемости элементов в различных конструктивных формах, которая способствует организации их массового поточного изготовления на высокопроизводительных поточно-механизированных линиях непосредственно на склад завода-изготовителя с последующей комплектацией по заявке заказчика. Благодаря малому размеру и небольшой массе отправочных марок конструкций их компактно транспортируют любым видом транспорта, легко собирают вручную на земле в крупные блоки и монтируют на рабочую отметку с помощью легких самоходных кранов, лебедок или блоков.
Из условия оптимизации для стержневых элементов принимают основной модульный размер (размер поясной сетки в осях узлов) 3 м и дополнительные размеры 1,5,2 и 4,5 м, что соответствует модульной системе, принятой в стране, и способствует широкому формообразованию пространственных конструкций. Наибольшее применение в практике отечественного строительства и за рубежом получили перекрестно-стержневые конструкции.
Перекрестно-стержневыми конструкциями можно перекрывать пролеты до 100 м и более, причем двухпоясные (однослойные) системы предусматривают при пролетах до 60 м. При увеличении пролета до 100 м, из условия сохранения унифицированных элементов, целесообразно переходить на трех- или четырехпоясную (двух-или трехслойную) несущую конструкцию. Дальнейшее увеличение пролета достигается проектированием комбинированных конструкций в виде решетчатой плиты, подкрепленной выносным шпренгелем, выполняемым из прокатных профилей или высокопрочных канатов.
К оболочкам одинарной кривизны относятся оболочки с цилиндрической или конической поверхностью. Цилиндрические оболочки имеют круговое, эллиптическое или параболическое очертание и опираются на торцевые диафрагмы жесткости, которые могут быть выполнены в виде стен, ферм, арок или рам. В зависимости от длины оболочек их делят на короткие, у которых пролет по продольной оси не более чем полторы длины волны (пролет в поперечном направлении), и на длинные, у которых пролет по продольной оси более, чем полторы волны.
По продольным краям длинных цилиндрических оболочек предусматриваются бортовые элементы (ребра жесткости), в которых размещается продольная арматура, позволяющая работать оболочке вдоль продольного пролета подобно балке. Кроме того, бортовые элементы воспринимают распор от работы оболочек в поперечном направлении и поэтому должны обладать достаточной жесткостью и в горизонтальном направлении.
Длина волны длинной цилиндрической оболочки обычно не превышает 12 м. Отношение стрелы подъема к длине волны принимается не менее 1/7 пролета, а отношение стрелы подъема к длине пролета – не менее 1/10. Сборные длинные цилиндрические оболочки членятся обычно на цилиндрические секции, бортовые элементы и диафрагму жесткости, арматура которых в процессе монтажа сваривается между собой и замоноличивается.
Длинные цилиндрические оболочки целесообразно применять для покрытий больших помещений с прямоугольным очертанием в плане. Длинные оболочки обычно располагают параллельно короткой стороне перекрываемого прямоугольного пространства для сокращения величины пролета оболочек вдоль продольной оси (лист 13, е). Развитие длинных цилиндрических оболочек идет по линии поисков возможно более плоской дуги при небольшой величине стрелы подъема, что ведет к облегчению условий производства строительных работ, снижению объема здания и улучшению условий эксплуатации. Особенно выгодно, в смысле конструктивной работы, устройство последовательного ряда плоских цилиндрических оболочек, так как в этом случае изгибающие усилия, действующие в горизонтальном направлении, погашаются соседними оболочками (кроме крайних).
Короткие цилиндрические оболочки по сравнению с длинными оболочками имеют более значительную величину волны и стрелу подъема. Кривизна коротких цилиндрических оболочек соответствует направлению наибольшего пролета перекрываемого помещения. Эти оболочки работают как своды. Форма кривой может быть представлена дугой круга или параболой. В связи с опасностью выпучивания в коротких оболочках в большинстве случаев вводятся поперечные ребра жесткости. Кроме бортовых элементов такие оболочки должны иметь затяжки для восприятия горизонтальных поперечных сил.
Конструкции куполов бывают трех видов: ребристые, ребристо-кольцевые и сетчатые.
Ребристые купола. Наиболее простые, но и наиболее тяжелые. Они состоят из отдельных плоских или пространственных (трехгранных) ребер, расположенных радиально и связанных между собой связями и прогонами. Ребра могут быть сплошными и сквозными (плоскими или трехгранными). Ребра сплошного сечения тяжелее, но более просты в изготовлении (часто применяют прокатные балки). В вершине купола из конструктивных соображений располагают кольцо, к которому крепятся ребра (чем больше ребер, тем больше диаметр кольца). Кольцо должно быть достаточно жестким, поэтому при большом диаметре оно подкрепляется распорками. Ребристые купола являются распорными системами. Для восприятия распора чаще всего используют специальное опорное кольцо (в виде окружности или многоугольника – при малом количестве ребер). Опорное кольцо закрепляется в горизонтальном направлении (от воздействия ветровой нагрузки), а в радиальном направлении оно должно быть свободным. Для обеспечения общей жесткости купола в плоскости кровли ставят связи между ребрами, а кольцевые прогоны играют роль распорок раскрепляющих ребра от потери устойчивости из плоскости.
В пологих куполах ребра (решетчатые) могут иметь горизонтальный нижний пояс, тогда несущая конструкция образует безраспорную радиально-балочную систему. При расчете купола на горизонтальную ветровую нагрузку или несимметричную вертикальную нагрузку конструкцию купола также расчленяют на отдельные арки и выделяют наиболее нагруженную арку, рассматривая ее с учетом упругого отпора менее нагруженных арок. Для простоты расчета предполагают, что горизонтальные сечения купола смещаются в горизонтальном направлении одно относительно другого без поперечных деформаций, поэтому упругий отпор можно считать приложенным в ключе арки. Расчетную схему арки принимают трехшарнирной с дополнительными упругоподатливыми опорами в ключе арки.
Ребристо – кольцевые купола. В ребристо – кольцевых куполах кольцевые прогоны соединяются между собой образуя замкнутые кольца. В этом случае кольцевые прогоны не только работают на изгиб, но и воспринимают растягивающие или сжимающие усилия (кольцевые). Кольцевые прогоны в ребристо-кольцевом куполе работают так же, как опорное кольцо в ребристом куполе, и могут быть заменены (при расчете ребра) условными затяжками. При симметричной нагрузке расчет купола можно вести, расчленяя его на плоские арки с затяжками на уровне кольцевых прогонов. При горизонтальных нагрузках ребристо-кольцевой купол рассчитывают так же как и ребристый. Вес ребер в ребристо-кольцевом куполе уменьшается благодаря включению в работу кольцевых прогонов. Наиболее конструктивное решение получается когда ребра и кольцевые прогоны сделаны из прокатных профилей.
Сетчатые купола. В сетчатых куполах между ребрами и кольцевыми прогонами (кольцами) располагаются раскосы, благодаря которым усилия распределяются по поверхности купола и стержни работают только на осевые силы, что уменьшает вес ребер и колец. Применяются и другие более сложные рисунки сетчатых поверхностей (звездчатые купола, геодезические купола).
Купола больших диаметров все чаще проектируются сетчатыми благодаря своей легкости и красивому рисунку конструктивной схемы. По конструкции сетчатый купол состоит из плоских рамок (четырех- и трехгранных), соединяемых между собой обычно на болтах. В таком случае ребра и кольца образуются из парных элементов, окаймляющие смежные грани. Снизу купол завершается нижним опорным кольцом, воспринимающим распор купола. Сверху купол имеет кольцо, к которому крепятся верхние стержни сетки, а также опирается фонарь (если он устраивается). В сетчатых куполах стремятся к наибольшей однотипности стержней и узлов. Наибольшая однотипность стержней и узлов получается в геодезических куполах. Наибольшее количество одинаковых граней имеет икосаэдр который состоит из треугольных равносторонних граней, которые лежат на сфере. В зависимости от количества граней изменяется количество типов граней (у 80 – два типа, у 320 – гранника – 5 типов). Сетчатый купол может быть однослойным и двухслойным. Узлы двухслойного купола размещаются на поверхностях двух концентрически расположенных сфер, разность радиусов которых определяет конструктивную высоту поверхности купола. Двухслойная конструкция обладает большой жесткостью и несущей способностью и может перекрывать весьма значительные пролеты (200м). Стержни сетчатых куполов чаще всего делают из труб, а узлы на шаровых сердечниках (аналогичных “конектору” в структурах типа “Кисловодск”.
Висячие металлические покрытия. Виды, способы стабилизации конструкции. Особенности работы и расчета.
Висячими называются покрытия, в которых главные несущие элементы составлены из нитей, тросов, круглых стержней или оболочек, работающих на растяжение. Усилие, возникающее в нитях называется тяжением, а горизонтальная составляющая тяжения - распором. Применяются висячие покрытия в бескрановых производственных зданиях, выставочных помещениях, стадионах, залах общественного назначения, гаражах, рынках, школах, ангарах, кино-концертных залах и т.п. Число построенных зданий возрастает, что обусловлено такими преимуществами этих покрытий:
Полное использование высокопрочных материалов, возможность перекрытия больших пролетов; снижение стоимости покрытия : тросы в 4-5 раз прочнее и только в 2-2,5 раза дороже обычной конструкционной стали; экономия может быть получена даже при малых пролетах.
Удобство и быстрота монтажа: почти не требуются леса (по сравнению с другими пространственными конструкциями).
Кровельные щиты и свернутые в бухты несущие элементы покрытия легко транспортируются.
Повышенная архитектурная выразительность.
Наряду с преимуществами имеется и несколько конструктивных недостатков висячих покрытий:
Повышенная деформативность, для уменьшения которой необходимо прибегать к их стабилизации, что требует дополнительных затрат.
Необходимость устройства специальных опорных конструкций для восприятия распора, что увеличивает (иногда значительно) стоимость покрытия.
Сравнительная трудность отвода воды с кровли.
Достоинства преобладают, поэтому они все шире применяются.
Классификация висячих покрытий. Применяется большое количество различных систем висячих покрытий, которые можно разделить на несколько групп:
Покрытия без специальной стабилизации:
а) однослойные системы;
б) системы из перекрестных гибких несущих элементов.
2. Покрытия из отдельных висячих несущих элементов с продольной стабилизирующей конструкцией:
а) системы с продольными и радиальными оттяжками;
б) двухпоясные преднапряженные системы; в) вантовые предварительно-напряженные фермы;
г) висячая система из жестких элементов;
д) висячая система с жестким поясом – консоль.
3. Покрытия с поперечной стабилизацией:
а) системы с поперечными оттяжками;
б) седловидные перекрестные системы из гибких элементов;
в) висячие системы с поперечными жесткими элементами.
4. Сплошные системы: оболочки и мембраны (в замкнутом контуре).
Основными вопросами при проектировании висячих покрытий являются компановка конструкций покрытия, борьба с деформативностью; упрощение и облегчение конструкций воспринимающих распор; разработка конструкции кровли с учетом отвода воды с кровли.
Деформативность висячих покрытий может привести к нарушению герметичности кровли, подвесного потолка, а в отдельных случаях и к вибрации всего покрытия. Повышенная деформативность вызывается работой главной несущей конструкции – гибкой нити. Являясь системой с большим числом степеней свободы она может воспринимать поперечные нагрузки работая только на растяжение и принимая при этом форму веревочной кривой, различной по очертанию при разных нагрузках (без изменения или с изменением длины). Такие перемещения (кинематические) особенно значительны в висячих конструкциях с легкой кровлей.
Борьба с деформативностью – стабилизация висячих покрытий – ведется несколькими способами:
а) выбор очертания несущей нити по веревочной кривой от главных нагрузок на нее;
б) уменьшение стрелы провеса несущих нитей;
в) увеличение веса кровельного настила;
г) превращение покрытия в висячую предварительно-напряженную железобетонную оболочку;
д) применение специальных стабилизирующих систем;
е) предварительное напряжения систем.
Первые два способа уменьшают только кинематические перемещения. Повышенная деформативность обуславливает увеличение периода собственных колебаний висячих покрытий по сравнению с конструкциями из жестких элементов и большую возможность появления резонанса ( с ветровой или другими нагрузками). Покрытия, в которых возможен резонанс, аэродинамически неустойчивы, применяться не должны. Опорные конструкции сильно влияют на экономическую эффективность висячих покрытий, поскольку стоимость этой конструкции в ряде случаев составляет значительную часть стоимости всего покрытия.
В настоящее время определилось шесть вариантов конструкций, воспринимающих тяжение:
вертикальные пилоны (в виде столбов, арок, рам) с наклонными оттяжками;
наклонные пилоны (арки, рамы) с вертикальными оттяжками натягивающие покрытия и передающие его тяжение в грунт;
жесткие круглые или овальные кольца, покоящиеся на стенах или опорах;
тросы-подборы (трос большого диаметра или тросовая ферма окаймляющие покрытие) воспринимающие тяжение нитей и передающие на пилоны или в грунт;
оттяжки;
заанкеривание нитей покрытия за другие конструкции (соседние здания, трибуны и др.).
При замкнутых жестких контурах закрепление нитей наиболее удобно и дешево. Загромождающие помещение оттяжки стремятся спрятать во вспомогательных помещениях и стенах.
Конструкция кровли должна быть увязана с несущей системой покрытия. Например, в неукрепленных стабилизацией конструктивных системах собственный вес кровли должен погашать возможный отсос ветра. В таких системах обычно применяется железобетонная кровля. Применение легких кровель требует жестких предварительно напряженных стабилизирующих систем. При применении пластмассовых пленок и прорезиненных тканей необходима сетка с ячейкой не более 1х1 м, чтобы не образовывались большие дождевые мешки. Для обеспечения хорошей герметизации кровли устраивают рулонный ковер хорошего качества Необходимо уделять особое внимание отводу атмосферных вод с покрытия. Висячие покрытия в настоящее время применяются в основном для общественных зданий и спортивных сооружений больших пролетов.
Металлические резервуары, бункера, силосы и газгольдеры. Особенности работы и расчета.
Горизонтальные цилиндрические резервуары вместимостью 3…180 м3 имеют диаметр 1,4…3,25 м и длину 2…18,6 м. Их изготовляют на заводах и доставляют на монтаж в готовом виде. Цилиндрический корпус горизонтального резервуара состоит из нескольких обечаек, сваренных из листовой стали. Продольные швы корпуса резервуара выполняются встык, поперечные — внахлестку при толщине стали до 5 мм и встык — при большей толщине. Днища резервуаров делают плоскими, коническими, цилиндрическими или сферическими. Выбор типа днища зависит от величины давления и диаметра резервуара.
Плоские днища состоят из листов стали, сваренных между собой встык. С цилиндрическим корпусом днище соединено окаймляющими упорными уголками, свальцованными на перо. Плоские днища просты в изготовлении, но они применяются для резервуаров диаметром 2…3,8 м, вместимостью 3…75 м3 и давлением до 0,4 МПа.
Конические днища из листовой стали уже при вместимости резервуаров более 50 м3 легче плоских днищ и имеют меньшую протяженность сварных швов, но сложнее в изготовлении. Они имеют большую жесткость при одинаковой с плоским днищем толщине листовой стали и применяются для резервуаров вместимостью до 75 м3 и давлением до 0,05 МПа.
Сферические, или полушаровые, днища изготовляют горячей штамповкой листовой стали на гидравлических прессах. Сферические днища по краям имеют отбортовку, которая сваривается встык с цилиндрической частью резервуара. Сферические днища наиболее трудоемки и дороги и применяются при давлении более 0,2 МПа.
Цилиндрические днища имеют меньшую жесткость при одинаковой со сферическим днищем толщине листовой стали, не требуют горячей штамповки и изготовляются холодной вальцовкой. Цилиндрические днища применяют для резервуаров вместимостью 75…150 м3 при давлении до 0,07 МПа.
Каплевидные резервуары имеют вместимость 2000…6000 м3. Недостаток каплевидных резервуаров — сложность изготовления и монтажа. Однако это окупается уменьшением потерь бензина при хранении по сравнению с цилиндрическими вертикальными резервуарами.
Шаровые резервуары имеют вместимость 400…1000 м3 при давлении 0,2…0,6 МПа. Шаровой резервуар устанавливают на 8…12 колоннах 1. Толщина шаровой оболочки 8…30 мм, средний пояс 2 имеет большую толщину и усилен внутренними ребрами или кольцом жесткости. Все листы резервуара сваривают встык.
Бункера и силосы — сооружения, предназначенные для хранения руды, угля, кокса, известняка, гравия, песка, цемента, цементного шлама. Бункер — это хранилище в виде оболочки или коробки с воронкой внизу. Высота его не превышает полуторного наибольшего поперечного размера. Более высокие хранилища называются силосами. Бункера делают с плоскими стенками, параболические и круглые. Бункера и силосы загружают через отверстие в верхней части, а разгрузка происходит под действием собственной массы материалов через выпускные отверстия.
Бункера для хранения твердых кусковых материалов с внутренней стороны обшиты деревянной обшивкой, чтобы предохранить их от истирания и образования вмятин.
Бункера с плоскими стенками состоят из верхней призматической части и нижней — пирамидальной. Такие бункера опираются на балки перекрытия или колонны и имеют размеры до 12 м по длине и ширине и до 8 м по высоте при вместимости до 500 м3. Достоинство таких бункеров: простота их изготовления, удобство крепления к конструкциям зданий и лучшее использование площади, чем в круглых бункерах. Наклонные стенки бункера укрепляют ребрами жесткости из уголков, привариваемых полкой к стенке через 1,5…2 м. Верхнюю часть бункера укрепляют вертикальными ребрами жесткости. Листы обшивки сваривают встык.
Пирамидально-призматические бункера (рис. 19) с плоскими стенками имеют верхнюю призматическую часть и нижнюю 3 - пирамидальную. Верхняя призматическая часть состоит из бункерных балок 11 и 2, наружные поверхности стенок которых усилены вертикальными 7 и горизонтальными 6 ребрами жесткости. Нижняя пирамидальная часть имеет четыре стенки из листовой стали, усиленные с наружной стороны горизонтальными ребрами жесткости 5. У основания пирамидальной части бункера имеется воронка 4.
Газгольдеры предназначены для хранения газов на металлургических, коксохимических и газовых заводах, в химической и нефтяной промышленности, в городском хозяйстве. Газгольдеры бывают переменного и постоянного объема. Газгольдеры переменного объема могут быть мокрые и сухие и давление газа в них не превышает 0,005 МПа.
Мокрые газгольдеры (рис. 16) имеют вместимость 100…32000 м3. Они состоят из вертикального цилиндрического резервуара 2, наполненного водой, одного или двух промежуточных кольцевых звеньев (телескопов) 3, колокола 4, представляющего собой открытую снизу цилиндрическую оболочку со сферической кровлей 6, и направляющих 5. Через дно резервуаров под колокол подводятся газопроводы 1. Диаметр резервуаров мокрых газгольдеров от 6,5 до 45 м, высота при высшем положении колокола от 7,5 до 34,3 м. Плавность и бесперебойность движения колокола и телескопа обеспечиваются направляющими 5 и роликами 7.
Сухие газгольдеры переменного объема вместимостью 10…100 тыс. м3 представляют собой цилиндр с плоским дном и сферической крышей. Внутри газгольдера перемещается диск (поршень), плотно прилегающий к внутренней поверхности цилиндра. Газ вводится снизу под поршень и при наполнении газгольдера создает внутреннее давление, которое поднимает поршень вверх. При расходе газа поршень опускается вниз.
Газгольдеры постоянного объема применяют для хранения природного газа, поступающего из недр земли, для бытовых нужд. Такие газгольдеры имеют внутреннее давление 0,4…1,8 МПа. Газгольдеры постоянного объема применяют двух типов: цилиндрические вместимостью 100…200 м3 и шаровые вместимостью 600…1000 м3.
Цилиндрические газгольдеры делают со сферическими днищами и целиком изготовляют на заводе. Цилиндрические газгольдеры располагают горизонтально и вертикально. При вертикальном расположении газгольдеров затрудняется их эксплуатация. Газгольдерные станции газопровода природного газа имеют общую вместимость до 500 тыс. м3, а их секции — до 25 тыс. м3.
Шаровые газгольдеры изготовляют из отдельных листов и при монтаже сваривают встык.
Вопрос II . Раздел 9. Металлические конструкции