Металлические конструкции

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

Материалы для металлических конструкций
Для строительных металлических конструкций в основном используется сталь и значительно реже – алюминиевые сплавы.
1.1.

Преимущества и недостатки стальных конструкций
[+] ___________________________________________________
Надёжность работы, обусловленная однородностью структуры стали;
Высокая прочность при относительно небольшой собственной массе;
Высокая индустриальность, удобство изготовления и усиления;
Непроницаемость для жидкостей и газов.
[−] ___________________________________________________
Подверженность коррозии;
Низкая огнестойкость, необходимость устройства огнезащиты;
Высокая стоимость.
1.2.

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.
1.3.

Структура стоимости стальных конструкций
Наиболее значительную часть стоимости металлических конструкций составляет стоимость материала:
1.4.

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

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

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, поэтому содержание углерода ограничивается (не более 0,22 %).
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).
2.1.

Диаграмма деформирования стали
Физический предел текучести (σy) – напряжение, при котором происходит рост пластических деформаций без увеличения внешней нагрузки;
Условный предел текучести (σ0,2) – напряжение, при котором остаточные деформации составляют 0,2%;
Временное сопротивление (σu) – напряжение, которое соответствует наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца.
2.2.
Стали обычной прочности
Стали высокой прочности
σ, МПа
ε, %
0,2 %
0 8 12 16 20 24
800
600
400
200
σu
σ0,2
σu
σy
Стадия упругой работы
Площадка текучести
Стадия самоупрочнения
Разрыв образца
Физический предел текучести
Временное сопротивление
Условный предел текучести
Временное сопротивление
α
tg α = E

Нормирование механических характеристик стали
Нормативное сопротивление материала – это значение его прочностной характеристики, принятое с обеспеченностью 0,95 на основании статистической обработки результатов стандартных испытаний образцов;
Расчётное сопротивление определяется делением нормативного на коэффициент надёжности по материалу γm;
для стали γm = 1,025…1,15 (в зависимости от марки); для бетона γm = 1,15…1,50.
Условные обозначения
2.3.
Модуль упругости принимается постоянным для всех марок стали: Е = 2,06 ⋅ 105 МПа

Маркировка строительных сталей
Ryn (с округлением до 5 МПа).
С 235
Сталь строительная
2.4.
Нормативные и расчётные сопротивления проката, МПа

Классификация строительных сталей по прочности
Стали обычной прочности имеют ограниченное применение в районах с низкими климатическими температурами (ниже -40°С).
2.5.

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

Предельные состояния металлических конструкций
Для конструкций, непосредственно испытывающих воздействие многократно-повторных нагрузок (мосты, подкрановые балки), дополнительно проводят расчёт на выносливость (1-я группа предельных состояний).
3.1.

Расчёт на прочность при осевом растяжении
Условие прочности:
σ – нормальные напряжения; кН/см2;
N – расчётное продольное усилие, кН;
An – площадь сечения нетто (с учётом ослаблений), см2;
Ry – расчётное сопротивление стали по пределу текучести, кН/см2;
γc – коэффициент условий работы (по табл. 6* СНиП II-23-81*); учитывает неблагоприятные условия работы элементов, обычно равен 1,00.
N
N
3.2.

Расчёт на прочность при плоском изгибе
Условия прочности:
M – расчётный изгибающий момент, кН⋅см;
Wx – момент сопротивления сечения, см3;
τ – касательные напряжения; кН/см2;
Q – расчётное поперечное усилие, кН;
Sx – статический момент полусечения, см3;
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.
M
M
Q
Q
x
x
по нормальным напряжениям:
по касательным напряжениям:
по приведённым напряжениям:
(reduced = приведённый)
3.3.

Расчёт на прочность при срезе и смятии
Q – расчётное поперечное усилие, кН;
ht – площадь среза, см2.
Q
t
Q
h
Площадь среза
P – расчётное усилие, кН;
bt – площадь смятия, см2;
Rp – расчётное сопротивление смятию; Rp = Ru.
Смятие торцевой поверхности
t
P
b
Площадь смятия
Срез
Условие прочности:
Условие прочности:
Срез
Смятие
3.4.

Потеря общей устойчивости характеризуется изменением первоначальной формы деформирования всей конструкции под действием сжимающей нагрузки.
Расчёт на общую устойчивость
Условие устойчивости при осевом сжатии:
N – расчётное продольное усилие, кН;
ϕ – коэффициент продольного изгиба; определяется по табл. 72* СНиП II-23-81* (или по графику ?) в зависимости от максимальной гибкости стержня λ:
N
lef
3.5.
N
x
x
y
y
lef – расчётная длина стержня, см;
i – радиус инерции сечения, см.
Потеря устойчивости происходит относительно оси с наибольшей гибкостью, при этом стержень искривляется в направлении, перпендикулярном этой оси.
условная гибкость
констр. сх.
расч. сх.