Lektsia_1_pr_MK (1)

1. МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ

2.

Металлоконструкции (МК) – сооружения и изделия, изготавливаемые из
металлического профиля, листового, трубного проката.
бывают два основных вида МК – сборно-разборные и неразборные.
Сборно-разборные конструкции собирают на болтовых и винтовых
соединениях. Их преимущество состоит в возможности многократного
использования. Готовое сооружение можно в любое время разобрать и
перенести на новое место. Кроме этого, может проводиться
трансформация.
Неразборные конструкции собирают на неразъемных соединениях.
Основным способом монтажа является сварка. Также применяются
клепаные соединения. Преимуществом неразборных металлоконструкций
является максимальная надежность. Однако такие сооружения могут быть
только стационарными.

3.

4.

5. 1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ

1.1. Материалы для металлических конструкций
1.2. Преимущества и недостатки стальных конструкций
1.3. Область применения стальных конструкций
1.4. Структура стоимости стальных конструкций
1.5. Сортамент

6. Материалы для металлических конструкций

1.1.
Материалы для металлических
конструкций
Для строительных металлических конструкций в основном используется сталь и
значительно реже – алюминиевые сплавы.
Плотность стали ρст = 7850 кг/м3; ρAl = 2700 кг/м3.
(сплав железа с углеродом (и другими элементами), содержащий не менее 45 %
железа и в котором содержание углерода находится в диапазоне от 0,02 до
2,14 %, причём содержанию от 0,6 % до 2,14 %
соответствует высокоуглеродистая сталь. Если содержание углерода в сплаве
превышает 2,14 %, то такой сплав называется чугуном)

7. Достоинства и недостатки металлических конструкций

1.2.
Достоинства и недостатки металлических
конструкций
Достоинства
•Надежность, обеспеченная близким соответствием характеристик стали нашим
представлениям об идеальном упругом или упругопластическом изотропном материале.
Сталь имеет однородную мелкозернистую структуру с одинаковыми свойствами по всем
направлениям, напряжения связаны с деформациями линейной зависимостью в большом
диапазоне, а при некотором значении напряжений может быть реализована идеальная
пластичность в виде площадки текучести;
•Индустриальность или возможность до минимума сократить тяжелый физический труд;
•Высокая несущая способность материала при растяжении, сжатии, изгибе, при
относительно небольшой собственной массе;
•Легкость. Считается, что из всех существующих конструкций, металлические самые
легкие. За показатель легкости принимают отношение плотности материала к его прочности
ρ/R (ρ – плотность; R – расчетное сопротивление);
•Легко разбираются и легко заменяются;
•Возможность использования материала конструкций, отслуживших свой срок;
•Герметичность (непроницаемость для жидкостей и газов);

8. Достоинства и недостатки металлических конструкций

Недостатки
• Недостаточная надежность при значительных динамических
нагрузках;
•Коробление конструкций (несимметричная деформация деталей).
•Подверженность коррозии. Если сталь не защищена определенным
покрытием, то при контакте с влагой, солями, агрессивными газами на
ней происходит коррозия. Общеизвестно, что лучше предупредить
появление коррозии, нежели с ней бороться. Потому в металлические
сплавы добавляются специальные антикоррозионные вещества.
Однако и этого недостаточно, поскольку с течением времени коррозия
все же может проявиться.
•Малая огнестойкость. Если на металлоконструкции воздействовать
высокими температурами (для стали - 600°С, для алюминиевых
сплавов - 300°С) она теряют свою несущую способность. Поэтому
необходимо устройство огнезащиты.

9. Основные требования, предъявляемые к металлическим конструкциям

10. Область применения стальных конструкций

1.3.
Область применения
стальных конструкций
• Каркасы промышленных зданий – одноэтажных (ОПЗ) и многоэтажных (МПЗ);
• Каркасы многоэтажных и высотных гражданских зданий;
• Большепролётные покрытия зданий и сооружений (рынки, ангары);
• Мосты, эстакады;
• Башни и мачты;
• Резервуары;
• Конструкции подъёмно-транспортного оборудования (краны).
Эффективность применения стальных конструкций повышается с
увеличением пролётов, высоты сооружений и возрастанием нагрузок
на них.

11. Структура стоимости стальных конструкций

1.4.
Структура стоимости
стальных конструкций
Наиболее значительную часть стоимости металлических
конструкций составляет стоимость материала:
монтаж; 15%
проектирование; 3%
транспортировка; 7%
изготовление; 25%
сталь; 50%

12. Сортамент

1.5.
Сортамент – это набор профилей с указанием формы сечения,
геометрических характеристик и массы единицы длины.
Стальные профили
I Двутавры (обыкновенные, балочные,
широкополочные, колонные)
Фасонные
[ Швеллеры
L
Прокатные
Уголки (равнополочные, неравнополочные)
- Сталь толстолистовая (толщ. 4…160 мм)
Листовые
- Сталь тонколистовая (толщ. 0,5…4 мм)
- Сталь универсальная (толщ. 6…60 мм)
Гнутые
Стальной профилированный настил (профнастил)
толщ. 0,6…1,0 мм
/¯\_/¯\_/¯\_/¯\_/¯\
Уголки, швеллеры
Сварные
Круглые и прямоугольные трубы

13. 2. СТРОИТЕЛЬНЫЕ СТАЛИ

2.1. Химический состав строительных сталей
2.2. Диаграмма деформирования стали
2.3. Нормирование механических характеристик стали
2.4. Маркировка строительных сталей
2.5. Классификация строительных сталей по прочности

14. Химический состав строительных сталей

2.1.
Химический состав
строительных сталей
Сталь – это сплав железа с углеродом и некоторыми добавками.
Железо обеспечивает пластичность. Пластическое разрушение происходит постепенно, ему
предшествуют значительные деформации, поэтому развитые пластические свойства имеют
существенное значение для безопасной работы конструкции.
Углерод обеспечивает прочность, но снижает пластичность и свариваемость, содержание
углерода находится в диапазоне от 0,02 до 2,14 %, причём содержанию от 0,6 % до 2,14 %
соответствует высокоуглеродистая сталь. Если содержание углерода в сплаве превышает 2,14 %,
то такой сплав называется чугуном.
Легирующие добавки (кремний, марганец, медь, хром, никель, ванадий, молибден, алюминий)
повышают прочность и пластичность стали. В основном применяются низколегированные стали с
суммарным содержанием легирующих добавок не более 5 %.
Вредные примеси (сера, фосфор, кислород, водород, несвязанный азот) повышают хрупкость
стали; их содержание ограничивается (не более 0,04…0,05 %). Во избежание попадания вредных
примесей при сварке расплавленный металл необходимо защищать от воздействия атмосферы.
Способы повышения прочности стали:
• легирование;
• термическое упрочнение (нагрев и последующее охлаждение по заданному режиму).

15. Диаграмма деформирования стали

2.2.
Диаграмма деформирования
стали
Временное
сопротивление
Условный предел
текучести
, МПа
u
800
0,2
Стадия
самоупрочнени
я
600
Временное
сопротивление
u
Физический предел
текучести
y
Стадия
упругой
работы
Стали высокой
прочности
Стали обычной
прочности
400
200
0
tg = E
0,2 %
8
Площадка
текучести
12
16
Разрыв
образца
20
24
, %
Физический предел текучести ( y) – напряжение, при котором происходит рост
пластических деформаций без увеличения внешней нагрузки;
Условный предел текучести ( 0,2) – напряжение, при котором остаточные деформации
составляют 0,2%;
Временное сопротивление ( u) – напряжение, которое соответствует наибольшей нагрузке,
предшествующей разрушению образца.

16.

17. Нормирование механических характеристик стали

2.3.
Нормативное сопротивление материала – это значение его прочностной характеристики,
принятое с обеспеченностью 0,95 на основании статистической обработки результатов
стандартных испытаний образцов.
(characteristic resistance): Базовое значение прочности конструкции, которое должно использоваться при определении
расчетной прочности.
Расчётное сопротивление определяется делением нормативного на коэффициент надёжности
по материалу m; для стали m = 1,025…1,15 (в зависимости от марки); для бетона m = 1,15…
1,50.
Условные обозначения
Нормативное сопротивление
Расчётное сопротивление
по пределу текучести ( y)
Ryn
Ry
по временному
сопротивлению ( u)
Run
Ru
Модуль упругости принимается постоянным для всех марок стали: Е = 2,06 105 МПа

18. Маркировка строительных сталей

2.4.
С 235
Ryn (с округлением до 5 МПа).
Сталь строительная
Нормативные и расчётные сопротивления проката, МПа
Марка
стали
толщина
проката,
мм
нормативные
листового,
широкополочного,
универсального
расчётные
фасонного
листового,
широкополочного,
универсального
фасонного
Ryn
Run
Ryn
Run
Ry
Ru
Ry
Ru
С 245
от 2 до 20
св. 20 до 30
245
-
370
-
245
235
370
370
240
-
360
-
240
230
360
360
С 345
от 2 до 10
св. 10 до 20
св. 20 до 40
345
325
305
490
470
460
345
325
305
490
470
460
335
315
300
480
460
450
335
315
300
480
460
450
С 375
от 2 до 10
св. 10 до 20
375
355
510
490
375
355
510
490
365
345
500
480
365
345
500
480

19. Классификация строительных сталей по прочности

2.5.
Классификация строительных
сталей по прочности
Характеристика
Марки
Состав
Стали обычной прочности
С235; С245; С255; С275; С285
малоуглеродистые
Стали повышенной прочности
С345; С375; С390
малоуглеродистые термически упрочнённые;
Стали высокой прочности
С440; С590
низколегированные
Стали обычной прочности имеют ограниченное применение в
районах с низкими климатическими температурами (ниже -40°С).

20. 3. ОСНОВЫ РАСЧЁТА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ

3.1. Предельные состояния металлических конструкций
3.2. Расчёт на прочность при растяжении
3.3. Расчёт на прочность при плоском изгибе
3.4. Расчёт на прочность при срезе и смятии
3.5. Расчёт на общую устойчивость
3.6. Расчёт на местную устойчивость

21.

Предельными являются такие состояния, при которых конструкция
перестает удовлетворять заданным эксплуатационным требованиям или
требованиям при производстве работ (возведении).
Нормами проектирования в соответствии с характером предъявляемых
к конструкции требований установлены две группы предельных состояний.
Первая группа включает в себя состояния, которые ведут к полной
непригодности к эксплуатации конструкций (зданий и сооружений в целом)
или к полной (частичной) потере несущей способности зданий и
сооружений в целом вследствие разрушения любого характера (вязкого,
хрупкого, усталостного).
Неразрушимость конструкций должна быть обеспечена на всем
протяжении их работы, поэтому расчет конструкций по несущей
способности производится на максимальное воздействие расчетных
нагрузок.

22.

Вторая группа включает предельные состояния, затрудняющие
нормальную эксплуатацию конструкций или снижающие долговечность
зданий (сооружений) по сравнению с предусматриваемым сроком
службы вследствие появления недопустимых перемещений (прогибов,
осадок опор, углов поворота), колебаний, трещин и т.п. (при
эксплуатации металлических конструкций трещины недопустимы). При
расчете конструкций или их элементов по второй группе предельных
состояний перемещения и деформации определяют от максимальных
нагрузок нормальной эксплуатации.
Расчет конструкций по предельным состояниям направлен на
предотвращение достижения любого из предельных состояний при
возведении здания или сооружения в течение всего срока его службы.

23.

Расчет по первому предельному состоянию выражается неравенством
N Ф,
где N – наибольшее возможное расчетное усилие в элементе конструкции
или конструкции в целом от суммы всех расчетных нагрузок и других воздействий
где– усилие в рассматриваемом элементе (продольная сила, изгибающий момент,
поперечная сила) от действия предельных расчетных значений нагрузок;
Ф – минимальная несущая способность (предельное усилие, которое может
воспринять рассчитываемый элемент конструкций), являющаяся функцией
геометрических размеров элемента, прочностных характеристик материала и
условий работы.
Граничное условие второй группы предельных состояний
f fu,
где f – перемещение конструкции или ее элемента от максимальных нагрузок
нормальной эксплуатации;
fu – предельное перемещение, допустимое по условиям нормальной
эксплуатации (зависит от назначения конструкции и устанавливается сводом
правил).

24. Предельные состояния металлических конструкций

3.1.
Предельные состояния
металлических конструкций
Группа предельных состояний
Основные расчёты
Учитываемые
нагрузки
Первая группа – по несущей
• на прочность;
способности — состояния, при которых происходит исчерпание
• на устойчивость (общую и
несущей способности (прочность, устойчивость или выносливость)
местную).
сооружений при соответствующих комбинациях нагрузок, которые
• Для конструкций,
могут также сопровождаться разрушениями любого вида (вязкое,
непосредственно
усталостное, хрупкое), образованием трещин и др.
испытывающих
воздействие многократноповторных нагрузок
(мосты, подкрановые
балки), дополнительно
проводят расчёт на
выносливость
расчётные

25. Предельные состояния металлических конструкций

3.1.
Предельные состояния
металлических конструкций
Группа предельных состояний
Основные расчёты
Учитываемые
нагрузки
Вторая группа – по пригодности к нормальной
эксплуатации — состояния, при которых нарушается
нормальная эксплуатация сооружений или исчерпывается ресурс
их долговечности вследствие появления недопустимых
деформаций, колебаний и иных нарушений, требующих временной
приостановки эксплуатации сооружения и выполнения его ремонта
на жёсткость
нормативные

26. Расчёт на прочность при осевом растяжении

3.2.
Расчёт на прочность при
осевом растяжении
N
Условие прочности:
N
N
R y c ;
An
– нормальные напряжения; кН/см2;
N – расчётное продольное усилие, кН;
An – площадь сечения нетто (с учётом ослаблений), см 2;
Ry – расчётное сопротивление стали по пределу текучести, кН/см 2;
c – коэффициент условий работы (по табл. 1СП16.13330.2017 Стальные конструкции); учитывает
неблагоприятные условия работы элементов.

27.

СП 16.13330.2017

28. Расчёт на прочность при плоском изгибе

3.3.
x
x
Q
Условия прочности:
M
по нормальным
напряжениям:
M
R y c ;
Wx
по касательным
напряжениям:
по приведённым
напряжениям:
Q Sx
Rs c ;
tw J x
red 2 3 2 1,15 Ry c ;
(reduced = приведённый)
M
Q
M – расчётный изгибающий момент, кН см;
Wx – момент сопротивления сечения, см3;
– касательные напряжения; кН/см2;
Q – расчётное поперечное усилие, кН;
Sx – статический момент полусечения, см 3;
Jx – момент инерции сечения, см4;
tw – толщина стенки, см;
Rs – расчётное сопротивление стали срезу,
кН/см2; Rs = 0,58 Ry ;
1,15 – коэффициент, учитывающий развитие
пластических деформаций.

29.

СП6.13330.2017

30.

31. Расчёт на прочность при срезе и смятии

3.4.
Q
Срез
Смяти
е
Площадь
среза
P
Q
Смятие торцевой
поверхности
b
h
t
t
Условие
прочности:
Срез
Q
Rs c ;
ht
Q – расчётное поперечное усилие, кН;
ht – площадь среза, см2.
Условие
прочности:
Площадь
смятия
P
R p c ;
bt
P – расчётное усилие, кН;
bt – площадь смятия, см2;
Rp – расчётное сопротивление смятию; Rp = Ru.

32. Расчёт на общую устойчивость

3.5.
Условие устойчивости
при осевом сжатии:
Потеря общей устойчивости характеризуется изменением
первоначальной формы деформирования всей конструкции под
действием сжимающей нагрузки.
N
R y c ;
A
констр. сх.
N
N
N – расчётное продольное усилие, кН;
–Приложение Д ; определяется по
lef
табл. Д1 СП16.13330 …(или по
графику ) в зависимости от
максимальной гибкости стержня :
lef
i
Ry
E
условная гибкость
;
lef – расчётная длина стержня, см;
i – радиус инерции сечения, см.
расч. сх.
x
y
y
x
y x
Потеря устойчивости происходит относительно оси с
наибольшей гибкостью, при этом стержень искривляется
в направлении, перпендикулярном этой оси.

33. Расчёт на местную устойчивость

3.6.
Изменение первоначальной формы
отдельного элемента конструкции
при сохранении формы всей
конструкции называется потерей
местной устойчивости.
N
bef
Общий вид условия обеспечения
местной устойчивости полки:
tf
bef
E
k
;
tf
Ry
bef – ширина свеса полки, см;
tf – толщина полки, см;
Общий вид условия обеспечения
местной устойчивости стенки:
hw
E
k
;
tw
Ry
hw – высота стенки, см;
tw – толщина стенки, см;
hw
tw