Металлические конструкции и сварка

ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Общая характеристика металлических конструкций
Состав и свойства строительных сталей
Основные этапы проектирования строительных конструкций. Нагрузки и воздействия
Основы расчёта металлических конструкций по предельным состояниям
Сварные соединения. Конструктивные требования и расчёт
Болтовые соединения. Конструктивные требования и расчёт
Модуль 1

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ
Понятие о несущих конструкциях и несущих системах зданий и сооружений
Требования к несущим конструкциям, учитываемые при проектировании
Преимущества и недостатки металлических конструкций
Область применения металлических конструкций
Краткий исторический обзор развития металлических конструкций
Блок 1

Понятие о несущих конструкциях зданий и сооружений
Продукцией строительного производства являются здания и сооружения.
Здания – наземные строительные объекты, связанные с пребыванием людей.
Понятие «сооружения» является более широким и включает как здания, так и специальные виды сооружений, предназначенных для выполнения задач технических (инженерные сооружения – мосты, трубы, резервуары и т.д.) или эстетических (архитектурные сооружения).
Здания и сооружения состоят из отдельных конструктивных элементов (конструкций), которые можно разделить на несущие и ограждающие.
Некоторые элементы сочетают эти две функции (как правило, неэффективно).
Конструктивные элементы (конструкции) зданий и сооружений
Ограждающие
отделяют помещения друг от друга и от окружающей среды
(окна, двери, перегородки и т.д.)
В курсе «Строительные конструкции» рассматриваются вопросы проектирования несущих конструкций.
Проектирование включает две составляющие – расчёт и конструирование.
Несущие
воспринимают и передают действующие на них нагрузки
(колонны, балки, фермы и т.д.)

Материалы для несущих конструкций и виды несущих систем зданий и сооружений
В зависимости от применяемых конструкционных материалов различают
Несущие системы зданий и сооружений
Каркасные
вертикальные элементы – колонны
Смешанные
колонны снаружи и ядро жёсткости внутри (ствольная система);
несущие стены снаружи и колонны внутри (неполный каркас).
Бескаркасные
вертикальные элементы – несущие стены
Взаимосвязанная совокупность несущих конструкций здания (сооружения) называется его несущей, или конструктивной, системой.
бетонные и железобетонные конструкции;
металлические конструкции (стальные и алюминиевые);
конструкции из дерева и пластмасс;
каменные и армокаменные конструкции.
Современные конструкции часто выполняются композиционными, то есть из двух и более материалов, что позволяет с наибольшей эффективностью использовать их свойства.

Требования к несущим конструкциям, учитываемые при проектировании
Требования к несущим конструкциям
(3) Технологические
Согласованность конструктивных решений с технологией изготовления, транспортировки, монтажа и эксплуатации конструкции
(4) Эстетические
Создание благоприятного впечатления о прочности конструкции, архитектурная выразительность
(1) Технические
Восприятие и передача конструкцией действующих нагрузок при сохранении прочности, жёсткости и устойчивости с необходимой надёжностью и долговечностью
Локальные разрушения отдельных конструкций не должны приводить к прогрессирующему разрушению всего сооружения
(5) Экологические
Непричинение вреда окружающей среде, возможность вторичного использования материалов по окончании срока службы конструкции
(2) Экономические
Обеспечение наименьшей стоимости, трудо- и энергоёмкости изготовления, монтажа и эксплуатации конструкции

Особенности обеспечения экономических требований
Технические и экономические требования во многом являются противоречивыми: нередко сокращение расхода материала снижает не только стоимость, но и надёжность конструкции.
Проектирование несущих конструкций неизбежно связано с выбором компромисса между экономичностью и рисками.
Поиск наиболее экономичного конструктивного решения достигается сравнением различных вариантов (вариантное проектирование) или поиском оптимального соотношения параметров в пределах одного варианта (оптимальное проектирование).
Концентрация материала – сосредоточение массы в отдельных конструктивных элементах, воспринимающих значительные усилия.
Снижение веса конструкций приводит к уменьшению нагрузки на них и нижележащие конструкции.
Унификация – приведение к единообразию размеров и форм конструктивных элементов.
Обеспечение экономичности конструктивных решений
Применение рациональных конструктивных форм, концентрация материала
Унификация и типизация
Совершенствование методов расчёта
Снижение веса конструкций

Сравнение эффективности конструкций из различных материалов
Преимущества и недостатки металлических конструкций можно выявить в сравнении с конструкциями из других материалов.

Сравнение лёгкости конструкционных материалов
Лёгкость конструкций количественно характеризуется отношением расчётного сопротивления R к удельному весу γ материала.
Чем больше это отношение, тем легче конструкция.
Наиболее лёгкими являются металлические конструкции; деревянные оказываются тяжелее примерно в 1,5…2 раза, железобетонные – в 4…10 раз; каменные – в 20…40 раз.

Методы повышения долговечности и огнестойкости металлических конструкций
Огнестойкость незащищённых металлических конструкций невелика: при пожаре они теряют несущую способность уже через 12…15 мин.
Для повышения огнестойкости предусматривают огнезащиту конструкций, действие которой основано на замедлении прогрева металла.
Повышение атмосферной и химической стойкости стальных конструкций
Устройство защитных лакокрасочных покрытий
Использование конструктивных решений с наименьшим количеством щелей и пазух, в которых могут скапливаться влага и пыль
Применение стали с повышенной коррозионной стойкостью
Огнезащита металлических конструкций
Нанесение вспучивающихся покрытий
Устройство подвесных потолков и экранов
Облицовка негорючими материалами
Во влажной среде сталь подвергается коррозии.

Структура стоимости стальных конструкций
Наиболее значительную часть стоимости металлических конструкций составляет стоимость материала.
Стоимость конструкций из различных материалов во многом определяется рыночной ситуацией.

Преимущества и недостатки металлических конструкций
[-]
Подверженность коррозии, необходимость антикоррозионной защиты
Низкая огнестойкость, необходимость огнезащиты
Высокая стоимость
[+]
Высокая прочность при небольшой собственной массе
Высокая индустриальность и скорость монтажа; удобство изготовления и усиления
Непроницаемость для жидкостей и газов
Стальные конструкции
[-] по сравнению со стальными
Повышенная деформативность (модуль упругости в 3 раза меньше)
Более низкая огнестойкость
Более высокая стоимость
[+] по сравнению со стальными
Более лёгкие
Более высокая коррозионная стойкость (в 10…20 раз выше)
Не создают искр при ударе
Алюминиевые конструкции

Область применения стальных и алюминиевых конструкций
Эффективность применения несущих стальных конструкций повышается с увеличением пролётов и высоты (этажности) сооружений, а также возрастанием нагрузок на них.
Применение алюминиевых конструкций в качестве несущих оправдано только в исключительных случаях, например, для грузоподъёмного оборудования.
Область применения стальных конструкций
В сооружениях
Мосты, эстакады
Башни и мачты
Листовые конструкции (резервуары, газгольдеры) – благодаря непроницаемости
Конструкции подъёмно-транспортного оборудования (краны)
Специальные конструкции (радиотелескопы и др.)
В зданиях
Каркасы одноэтажных промышленных зданий (ОПЗ), в том числе из быстровозводимых лёгких металлических конструкций (ЛМК)
Каркасы многоэтажных и высотных зданий
Большепролётные покрытия общественных и специальных промышленных зданий (спортивные сооружения, рынки, выставочные павильоны, ангары)

Тестовые вопросы (1-2)
Недостатки стальных конструкций
Выберите правильные ответы
Большой собственный вес
Малая индустриальность
Подверженность коррозии
Слабая огнестойкость
Высокая стоимость
Трудности при усилении
Наиболее значительную часть стоимости металлических конструкций составляют расходы на
Выберите правильный ответ
Проектирование
Изготовление
Транспортировку
Монтаж
Материал

Краткий исторический обзор развития металлических конструкций

Бруски из кованого железа (до конца 18 в.)
Применение металлических конструкций в строительстве всегда определялось уровнем развития металлургии и металлообработки.
Простейшие конструкции из железа были известны ещё в глубокой древности.
До конца 18 века в строительстве применялись кованые бруски из кричного железа, соединённые на замках и скрепах горновой сваркой.
Первоначально их использовали только в качестве затяжек каменных сводов, а с 17 века – также в качестве наслонных стропил и элементов каркасов куполов.
В России железные затяжки куполов использовались с 12-го века (Успенский собор во Владимире, 1158).

Чугунные конструкции (18 – 19 век)
В начале 18 века был освоен процесс чугунного литья. С этого момента и до конца 19 века чугун применялся для строительства мостов и конструкций перекрытий.
Купол Исаакиевского собора в Петербурге (40-е годы 19 в.) собран из чугунных косяков.
Перекрытие Зимнего дворца (1837 г.) выполнено в виде треугольных железочугунных ферм пролётом 12,9 м.
Николаевский мост в Петербурге с восемью арочными пролётами от 33 до 47 м (50-е годы 19 в.) является самым крупным чугунным мостом мира.

Купол Исаакиевского собора (40-е г. 19 века)

Развитие промышленного производства стали, зарождение науки о металлоконструкциях
(19-й век)
В 1784 г. Г. Кортом (Англия) было предложено заменить кричный процесс получения железа более совершенным – пудлингованием.
В 30-х годах 19 века появляются заклёпочные соединения.
Во второй половине 19 века были разработаны основные способы промышленного производства литой стали: бессемеровский, (1856), мартеновский (1864), томасовский (1878).
С их внедрением получило развитие производство листовых, уголковых и двутавровых прокатных профилей.
В этот период возникает наука о металлических конструкциях.
Сталь постепенно вытесняет чугун из строительных конструкций.
В 1889 г. для Всемирной выставки в Париже возводится Эйфелева башня высотой 300 м

Развитие мостостроения
В связи с ростом железных дорог интенсивно развивается металлическое мостостроение.
Разработанные в мостостроении принципы проектирования переносятся на промышленные и гражданские объекты.
Балочный мост
Арочный мост
Висячий мост

Проекты В.Г. Шухова (1853-1939)
Покрытие завода в г. Выкса – первая пространственная конструкция (сетчатая оболочка)

Проекты В.Г. Шухова (1853-1939)
Первые висячие сетчатые покрытия были представлены на Всероссийской промышленной выставке (Нижний Новгород, 1896 г.)

Проекты В.Г. Шухова (1853-1939)
Висячие сетчатые покрытия на Нижегородской выставке (1896 г.)

Проекты В.Г. Шухова (1853-1939)
В 1914 г. по проекту В.Г. Шухова была построена рамно-арочная конструкция дебаркадера Киевского вокзала в Москве.
В.Г. Шухов также спроектировал арочные покрытия ГУМа, Петровского пассажа, гостиницы «Метрополь».

Проекты В.Г. Шухова (1853-1939)
Рамно-арочная конструкция дебаркадера Киевского вокзала в Москве (1914 г.)

Проекты В.Г. Шухова (1853-1939)
Сетчатые гиперболоидные башни различного назначения
Шаболовская башня в Москве (1922 г.)
Плавучие маяки

Empire State Building (New York, 1931)
В США было развёрнуто высотное строительство. Первое многоэтажное здание (8 этажей) со стальным каркасом было построено в 1891 г. в Чикаго.
А уже в 1931 г. в центре Нью-Йорка за 15 месяцев был построен «Эмпайр Стейт» высотой 312 м с причальной башней для дирижаблей высотой 62 м.

Empire State Building (New York, 1931)

Идёт строительство «Эмпайр Стейт» - «восьмого чуда света»
Empire State Building (New York, 1931)

Висячий мост «Золотые ворота»
(Сан-Франциско, 1937),
средний пролёт 1237 м
«Golgen Gate»

Развитие металлоконструкций в сер. 20 в.
В 40-х годах 20-го века заклёпочные соединения почти полностью заменяются сварными – более лёгкими, технологичными и экономичными.
Дальнейшее развитие металлоконструкций связано с увеличением пролётов и этажности сооружений, возрастанием нагрузок на них.
Внедряются стали повышенной прочности, разрабатываются облегчённые металлические конструкции, совершенствуются методики расчёта и конструирования.
Московские «высотки» - начало 50-х годов

Высотное строительство
из металлоконструкций
Чикаго, «Сирс-билдинг» (1972-1974 г.) 109 этажей, высота 445 м.
«Sears Tower»

Современное высотное строительство
Taipei 101 (Тайбэй), Тайвань (2003 г.) 101 этаж, высота 509 м.
«Sears Tower»
Petronas Twin Towers (Петронас) Малайзия (1988 г.) 88 этажей, высота 452 м

Тестовые вопросы (3-4)
Проекты, разработанные В.Г. Шуховым
Выберите правильные ответы
Купол Исаакиевского собора в Петербурге
Перекрытие Зимнего дворца в Петербурге
Покрытие ГУМа
Дебаркадер Киевского вокзала в Москве
Шаболовская башня
Останкинская телевизионная башня
Основные способы промышленного производства стали разработаны
Выберите правильный ответ
Во второй половине 17 века
Во второй половине 18 века
Во второй половине 19 века
В первой половине 20 века

СОСТАВ И СВОЙСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ СТАЛЕЙ
Химический состав и технология производства стали
Оценка свойств стали
Диаграмма деформирования стали
Нормативные и расчётные сопротивления стали
Маркировка стали
Выбор марки стали
Сортамент
Блок 2

Свойства стали, существенно важные для строительной стали
Свойства сталей
Высокая прочность
Чем прочнее сталь, тем меньше её расходуется.
(А) Механические
Обрабатываемость
При изготовлении конструкций должна быть обеспечена возможность гибки, резки, строжки, сверления отверстий.
(Б) Технологические
(В) Эксплуатационные
Достаточная пластичность
Пластическое разрушение происходит плавно, постепенно. Это исключительно важно для безопасности конструкции.
Стойкость к хрупкому разрушению
Хрупкое разрушение происходит резко, внезапно и при меньших деформациях. Очень опасно.
Свариваемость
Сварка является основным способом соединения элементов металлических конструкций.
Коррозионная стойкость
Повышает долговечность конструкций.
Отсутствие склонности к старению
Старение заключается в снижении пластичности и стойкости к хрупкому разрушению.
Все перечисленные свойства зависят от химического состава стали.

Химический состав стали
Сталь – это сплав железа с углеродом и некоторыми добавками.
Железо обеспечивает высокую пластичность, а углерод (при содержании до 1%) – прочность.
Однако углерод снижает пластичность и ухудшает свариваемость, поэтому его содержание в строительных сталях составляет не более 0,22%.
Присутствие в стали нормальных примесей (кремний, марганец, фосфор, сера, кислород) вызвано условиями её получения.
Диаграмма состояния сплавов «железо-углерод»

Вредные примеси и получение стали
Вредные примеси – фосфор, сера, атмосферные газы (кислород, водород, азот).
Они ухудшают свариваемость, снижают пластичность стали и её стойкость к хрупкому разрушению.
Фосфор повышает хрупкость стали при пониженных температурах (хладноломкость).
Сера способствует образованию трещин при температуре 800…1000° С (красноломкость).
Содержание вредных примесей в стали ограничивается. Кроме того, при сварке металл необходимо защищать от воздействия атмосферы.
Сталь получают в конвертерах с продувкой кислородом, в мартенах или электропечах.
Исходным сырьём является чугун, который отличается от стали более высоким содержанием углерода, кремния, марганца, серы, фосфора.
Не исключено использование в качестве сырья металлолома (скрапа).
Конвертер в наклонном положении в момент заливки чугуна
Мартеновская печь

Классификация стали по степени раскисления
После плавки сталь разливают ковшами в изложницы, где происходит остывание и кристаллизация металла. В процессе кристаллизации выделяется большое количество газов – сталь «кипит», это ухудшает её качество.
Полученную сталь называют кипящей, она пригодна лишь для неответственных конструкций.
Спокойное остывание достигается использованием раскислителей (кремния, марганца, алюминия), которые связывают газы, образуя шлак.
Шлак концентрируется в верхней части слитка; её впоследствии срезают и отправляют в переплавку.
Получаемая сталь называется спокойной, она на 10-12% дороже кипящей и применяется в ответственных конструкциях.
При неполном раскислении (меньшем количестве раскислителя) получается полуспокойная сталь. По цене и качеству она занимает промежуточное положение между кипящей и спокойной.
Разливка стали

Способы повышения прочности стали
Для повышения прочности стали применяется термическая обработка и легирование.
Основные виды термической обработки – закалка, нормализация, отпуск и отжиг. Они отличаются температурой нагрева и условиями охлаждения.
Легирование стали заключается в добавлении специальных легирующих элементов, повышающих её прочность и пластичность. Некоторые добавки связывают вредные примеси, превращая их в полезные.
Однако легирующие добавки ухудшают свариваемость стали.
Поэтому в строительстве применяют низколегированные стали, в которых суммарное содержание легирующих добавок составляет не более 5%.
Изложницы

Легирующие добавки
Строительные стали легируют преимущественно хромом.
В отдельных случаях применяется никель.
Добавки-раскислители (кремний, марганец) одновременно являются и легирующими.
Ванадий и молибден предотвращают разупрочнение термообработанной стали при сварке.
Медь повышает стойкость стали к атмосферной коррозии.
Химический состав строительной стали

Прокатка стали и её влияние на прочность
Прокатка является одним из видов горячей обработки металлов давлением (ОМД) и производится на прокатных станах.
Разогретые слитки многократно пропускаются между двумя валками, вращающимися навстречу друг другу, при этом металл пластически деформируется и приобретает заданную форму (лист, рельс, двутавр и т.д.).
Чем толще прокат, тем меньше степень обжатия и скорость охлаждения, поэтому с увеличением толщины проката прочностные характеристики снижаются.
Прочность при растяжении в направлении толщины проката составляет всего 5 % от прочности в перпендикулярном направлении (анизотропия свойств).
Прокатка стали
Расслоение поперечной диафрагмы в балке
Расслоение пояса колонны в месте примыкания консоли

Тестовые вопросы (5-6)
Содержание углерода в строительной стали составляет не более
Выберите правильный ответ
0,02%
0,22%
2,00%
12%
22%
52%
Содержание легирующих добавок в низколегированной стали составляет не более
Выберите правильный ответ
0,05%
0,5%
5%
15%
25%
55%

Тестовые вопросы (7-9)
Часть слитка, которую отрезают после разливки в изложницы
Установите соответствие
5%
8%
15%
Вредными примесями в стали являются
Выберите правильные ответы
Кремний
Марганец
Фосфор
Сера
Медь
Кислород
спокойная сталь
кипящая сталь
полуспокойная сталь
Добавками-раскислителями стали являются
Выберите правильные ответы
Кремний
Марганец
Азот
Медь
Алюминий
Кислород

Тестовые вопросы (10-11)
Легирующими добавками в стали являются
Выберите правильные ответы
Кремний
Марганец
Фосфор
Хром
Молибден
Сера
Ванадий
Дайте оценку следующим суждениям:
(А) С увеличением толщины проката прочность стали снижается.
(Б) Прочность стали поперёк проката намного меньше, чем вдоль проката.
Верно только (А)
Верно только (Б)
Верно и (А) и (Б)
Оба суждения неверны

Оценка свойств стали
Для оценки механических свойств стали проводятся испытания:
- на одноосное растяжение;
- на ударную вязкость;
- на выносливость.
Свариваемость стали оценивают по углеродному эквиваленту:
где С, Mn, Si, Cr, Ni, Cu, V, P – массовая доля углерода, марганца, кремния, хрома, никеля, меди, ванадия и фосфора, %.
Если Сэ ≤ 0,4, то сварка стали не вызывает затруднений.
Прочность металла при статическом нагружении, а также его упругие и пластические свойства определяются испытаниями стандартных образцов на растяжение с записью диаграммы «напряжения-деформации» σ-ε.
1 – алюминиевый сплав
2 – малоуглеродистая сталь
3 – чугун
4 – низколегированная термоупрочнённая сталь

Прочностные характеристики стали
Прочность – это способность материала не разрушаться при возникновении в нём напряжений от внешних воздействий.
Прочностные характеристики стали:
Физический предел текучести σy – это напряжение, при котором происходит рост пластических деформаций без увеличения внешней нагрузки.
y = yeld (текучесть)
Условный предел текучести σ0,2 – это напряжение, при достижении которого и последующей разгрузке остаточные деформации составляют 0,2%.
Временное сопротивление σu – это напряжение, которое соответствует наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца.
u = ultimate (предельный)

Характеристики упругости и пластичности
Упругость – это способность материала восстанавливать свою первоначальную форму после снятия внешней нагрузки.
Упругие характеристики стали:
Модуль упругости Е – это тангенс угла наклона касательной к кривой деформирования в начале координат.
Предел упругости σе – это наибольшее напряжение, при котором деформации исчезают после снятия нагрузки.
е = elastic (упругость)
Пластичность – это способность материала получать необратимые (остаточные) деформации после снятия внешней нагрузки.
Пластичность характеризуется относительным остаточным удлинением при разрыве δ.
p = plastic (пластичность)
Модуль упругости принимается постоянным для всех марок стали: Е = 2,06 ⋅ 105 МПа
Предел пропорциональности σр находится чуть ниже предела упругости

Диаграмма деформирования стали
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

Испытание образцов на ударную вязкость
Испытания на ударную вязкость проводятся на специальных маятниковых копрах. Под ударом молота образец разрушается.
Ударная вязкость КС (Дж/см2) определяется отношением работы, затраченной на разрушение образца, к площади его поперечного сечения.
Для ужесточения условий испытаний
в образцах делают надрез, возникает концентрация напряжений;
понижают температуру среды (–40°С; –70°С);
образцы подвергают искусственному старению (создают остаточное удлинение 10% и нагревают в печи до 250 °С).
Образец с U-образным надрезом (образец Менаже)
Образец с V-образным надрезом (образец Шарпи)
Образец с трещиной
Схема испытаний

Испытание образцов на ударную вязкость
Хрупкость – это свойство материала внезапно разрушаться без остаточных деформаций.
Ударная вязкость является комплексным показателем, характеризующим
Состояние стали (хрупкое или вязкое);
Чувствительность стали к концентрации напряжений;
Сопротивление стали динамическим воздействиям;
Склонность стали к хрупкому разрушению при пониженных температурах;
Склонность стали к старению.
1 – сталь С235
2 – сталь С255
3 – сталь С375
1
2
3
Зависимость ударной вязкости от температуры
KCU, Дж/см2
100
80
60
40
30
20
порог хладноломкости
К хрупкому разрушению при пониженной температуре наиболее склонны кипящие стали.
t, °С

Нормирование прочностных характеристик стали
Прочность стали, как и любого материала, находится под влиянием большого числа факторов и не остаётся постоянной даже в пределах одной партии образцов.
Изменчивость механических характеристик материалов учитывается методами математической статистики на основе большого числа испытаний (свыше 1000).
1
2
10 200 220 240 260 280 300 320 340 360
20
15
10
5
0
По результатам испытаний строят гистограмму (1), которую затем аппроксимируют одной из теоретических кривых плотности распределения (2).
Для прочностных характеристик материала наиболее подходящей является кривая Гаусса (нормальный закон распределения).

Нормативное сопротивление материала
f(σ) – плотность распределения;
σ – рассматриваемая характеристика (например, предел текучести σу);
R – математическое ожидание (среднее значение);
S – стандарт распределения (среднеквадратичное отклонение от математического ожидания);
n – число испытаний.
γ – показатель надёжности, гарантирующий заданную обеспеченность (табличное значение);
V – коэффициент вариации; характеризует качество технологии.
Нормативное сопротивление материала Rn – это значение его прочностной характеристики, принятое с обеспеченностью р = 0,95 на основании статистической обработки результатов стандартных испытаний образцов.

Расчётное сопротивление материала
Обеспеченность (доверительная вероятность) нормативного сопротивления 0,95 означает, что из 100 образцов 95 будут иметь прочность не ниже нормативного значения.
Нормативное сопротивление указывается в ГОСТ и контролируется на производстве.
При выполнении расчётов пользуются расчётным сопротивлением:
γm – коэффициент надёжности по материалу (γm > 1); учитывает
неблагоприятные отклонения сопротивления материала от его нормативного значения вследствие неоднородности свойств;
установленные допуски на размеры сечений проката.
1
2
Качество технологии (1) выше.
V1 < V2

Нормативные и расчётные сопротивления стали
Условные обозначения
Нормативные и расчётные сопротивления проката, МПа

Маркировка стали по ГОСТ 27772-88
Ryn для наименьшей толщины (с округлением до 5 МПа).
С 245
Сталь строительная
Сталь повышенной коррозионной стойкости (с добавкой меди)
С 345Д
Вариант хим. состава
С 345К
ГОСТ 27772-88 «Прокат для строительных конструкций. Общие технические условия»

Маркировка стали по другим стандартам
Вст3пс6
Группа поставки
А – по механическим свойствам
Б – по химическому составу
В – по механическим свойствам и химическому составу
Сталь «3»
Степень раскисления
сп – спокойная
пс – полуспокойная
кп – кипящая
Категория стали (1…6), указывает вид испытаний на ударную вязкость
09Г2С
содержание углерода 0,09%
марганец до 2%
кремний до 1%
ГОСТ 380-88 «Сталь углеродистая обыкновенного качества»
ГОСТ 19281-73 «Сталь низколегированная сортовая и фасонная»
Вст3Гпс5
Сталь с повышенным содержанием марганца
Стали, поставляемые по разным стандартам, взаимозаменяемы

Классификация сталей по прочности

Выбор марки стали для конструкции
В зависимости от условий работы стальные конструкции разделяются на 4 группы, для которых установлены применяемые марки стали (табл. 50*СНиП II-23-81*).
Можно ли в одной конструкции применять разные марки стали. Да, это экономически целесообразно. Для более нагруженных элементов применяется более прочная сталь.
* При отсутствии сварных соединений группа понижается на одну ступень.

Выбор марки стали для конструкции
Примечания см. в табл. 50* СНиП II-23-81*

Сортамент стальных профилей
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)

Тестовые вопросы (12-13)
Установите соответствие
С235
С255
С375
3
2
1
KCU, Дж/см2
100
80
60
40
30
20
t, °С
1
2
3
чугун
алюминиевый сплав
малоуглеродистая сталь
низколегированная сталь
1
2
3
4
Установите соответствие

Тестовые вопросы (14-15)
Нормативное сопротивление стали имеет обеспеченность
Выберите правильный ответ
0,05
0,9973
0,95
1,64
3,00
Расчётное сопротивление стали получают
Выберите правильный ответ
Умножением нормативного сопротивления на коэффициент запаса 0,95
Умножением нормативного сопротивления на коэффициент надёжности по материалу
Делением нормативного сопротивления на коэффициент надёжности по материалу
Делением нормативного сопротивления на коэффициент вариации
Делением на нормативного сопротивления на показатель надёжности γ = 1,64

Тестовые вопросы (16-17)
Обеспеченность нормативного сопротивления стали 0,95 означает, что из 100 образцов 95 будут иметь прочность
Выберите правильный ответ
не выше нормативного значения
не ниже нормативного значения
равную нормативному значению
не выше расчётного значения
не ниже расчётного значения
Коэффициент надёжности по материалу учитывает
Выберите правильные ответы
Возможное неблагоприятное отклонение нагрузки от нормативной
Возможное благоприятное отклонение нагрузки от нормативной
Возможное отклонение сопротивления стали от нормативного в меньшую сторону
Возможное отклонение сопротивления стали от нормативного в большую сторону
Установленные допуски на размеры сечений
Работу стали на динамические нагрузки
Нормативное сопротивление стали

Тестовые вопросы (18-19)
В обозначении марки стали С345 число «345» означает
Выберите правильный ответ
Временное сопротивление стали по пределу текучести
Нормативное сопротивление стали по пределу текучести
Расчётное сопротивление стали по пределу текучести
Расчётное сопротивление стали по временному сопротивлению
Нормативное сопротивление стали по временному сопротивлению
Прочность стали
Двутавровая сталь
Фасонная сталь
Коррозионно-стойкая сталь с добавкой меди
Сталь, хорошо воспринимающая динамические нагрузки
Сталь высокой прочности
Кипящая сталь
В обозначении марки стали С345Д буква «Д» означает
Выберите правильный ответ

Тестовые вопросы (20-22)
Установите соответствие
Ry
Run
Ru
Ryn
Расчётное сопротивление стали по пределу текучести
Расчётное сопротивление стали по временному сопротивлению
Нормативное сопротивление стали по пределу текучести
Нормативное сопротивление стали по временному сопротивлению
Для фасонок ферм нельзя применять сталь марки (при t до -40°С)
Выберите правильные ответы
С235
С345
С245
С345К
С255
С275
С245
С375
С390
С345
С235
Для балок перекрытий и покрытий можно применять сталь марки (при t до -40°С)
Выберите правильные ответы

ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ.
НАГРУЗКИ И ВОЗДЕЙСТВИЯ
Основные этапы проектирования. Конструктивная и расчётная схемы
Нормативная база проектирования
Нагрузки и воздействия. Классификация нагрузок
Постоянные и временные нагрузки
Нормативные и расчётные нагрузки. Сочетания нагрузок
Полезные нагрузки
Снеговая и ветровая нагрузки
Блок 3

Основные этапы проектирования строительных конструкций. Конструктивная и расчётная схемы
Этапы
Конструктивная схема (КС)
отражает действительные размеры элементов и фактические условия их закрепления
(1) Компоновка конструктивной схемы
Расчётная схема (РС)
является упрощённой (условной, идеализированной) и с необходимой степенью точности отражает работу элемента под действием нагрузок
(2) Формирование расчётной схемы
(3) Сбор нагрузок
(4) Статический расчёт
Определение внутренних усилий (M, Q, N) методами статики (строительной механики)
(5) Конструктивный расчёт
Подбор и проверка сечений
(6) Расчёт и конструирование узлов
(7) Выполнение рабочих чертежей
КС
РС

Нормативная база строительного проектирования
Закон 184-Ф3 «О техническом регулировании», принят 27 декабря 2002 г., с изм. от 06.04.2007 г.
Нормативные документы
СНиП 2.01.07-85*. Нагрузки и воздействия.
СНиП II-23-81*. Стальные конструкции.
СП 53-102-04. Общие правила проектирования стальных конструкций.
МГСН 4.19-05. Многофункциональные высотные здания и комплексы.
Международные
Обязательные для исполнения нормативные документы содержат только общие (как правило, словесные) требования.
Детальные указания по расчёту и конструированию являются рекомендуемыми.
Проектировщик сам выбирает применяемые расчётные модели и несёт полную ответственность за полученные результаты.
Государственные (национальные)
Региональные
ГОСТ, Технические регламенты,
СНиП, СП (Своды Правил)
МГСН – Московские городские строительные нормы
Eurocode-1; Eurocode-2
Корпоративные

Нагрузки и воздействия. Классификация нагрузок
Классификация нагрузок
Вертикальные
(1) По длительности действия
Постоянные
Действуют в течение всего срока службы сооружения
Длительные
(2) По направлению
(3) По характеру распределения
(4) По вероятности реализации
Временные
Действуют в течение определённого времени
Кратковременные
Горизонтальные
Равномерно распределённые
Сосредоточенные (кН)
по площади (кН/м2)
поверхностные
по длине (кН/м)
линейные, погонные
Нормативные (эксплуатационные)
Расчётные (предельные)
Воздействия
Силовые (нагрузки)
Несиловые
Средовые (температурное, влажностное, коррозионно-агрессивное и др.);
Кинематические (смещение опор и др.)
Особые

Постоянные, временные и особые нагрузки
Нагрузки и воздействия
Кратковременные
Нагрузки от людей и оборудования с полным значением;
Снеговая нагрузка с полным значением;
Ветровая нагрузка;
Гололёдная нагрузка.
Особые
Сейсмические воздействия;
Взрывные воздействия;
Нагрузки, вызванные резким нарушением технологического процесса;
Запроектные воздействия.
Длительные
Вес стационарного оборудования;
Давление газов, жидкостей и сыпучих тел;
Вес складируемых материалов;
Нагрузки от людей и оборудования с пониженным значением;
Снеговая нагрузка с пониженным значением.
Постоянные
Вес несущих и ограждающих конструкций;
Вес и давление грунтов;
Усилия от предварительного напряжения.
СНиП 2.01.07-85* (п. 1.4 … 1.9)

Нормативные и расчётные нагрузки
Нормативная, или эксплуатационная, нагрузка qn – это наибольшая величина нагрузки, позволяющая нормально эксплуатировать здание (сооружение);
Расчётная нагрузка q – это наибольшая величина нагрузки, используемая в расчётах конструкций на прочность и устойчивость:
γf – коэффициент надёжности по нагрузке (обычно γf > 1); учитывает возможные неблагоприятные отклонения нагрузки от нормативного значения (обычно в сторону увеличения) вследствие её статистической изменчивости.
Наибольшей изменчивостью обладают атмосферные нагрузки (снеговая, ветровая), для них γf = 1,4.
СНиП 2.01.07-85*

Сочетания нагрузок
На конструкцию действует, как правило, несколько нагрузок, и при расчёте необходимо выявить их наиболее неблагоприятное сочетание.
При учёте одновременного действия более двух нагрузок их расчётные значения умножают на коэффициенты сочетаний ψ < 1.
Коэффициент сочетаний ψ учитывает маловероятность одновременного действия максимальных значений нескольких нагрузок.
СНиП 2.01.07-85* предусматривает основные и особые сочетания нагрузок.
Для некоторых многоэтажных зданий (например, жилых) учитывается маловероятность одновременного действия максимальных значений временных равномерно распределённых нагрузок
на всей грузовой площади перекрытия: при расчёте элементов перекрытий временную нагрузку умножают на понижающий коэффициент ψА;
на всех этажах: при расчёте колонн, стен и фундаментов временную нагрузку умножают на понижающий коэффициент ψn.
Указания по определению ψА и ψn приводятся в п.3.8-3.9 СНиП 2.01.07-85*.

Определение нагрузок
Нормативные значения нагрузок определяются:
для постоянных нагрузок – по проектным данным;
для полезных нагрузок – по наибольшим значениям, которые предусмотрены условиями нормальной эксплуатации;
для снеговой и ветровой нагрузок – по данным метеонаблюдений.
Сбор нагрузки на перекрытие жилого здания

Полезные нагрузки
Полезными принято называть нагрузки, восприятие которых составляет целевое назначение сооружений.
*по МГСН 4.19-05
Полезные нагрузки
(по табл. 3 СНиП 2.01.07-85*. Нагрузки и воздействия)
длительная нагрузка
кратковременная нагрузка
длительная нагрузка
кратковременная нагрузка

Снеговая нагрузка
Расчётная снеговая нагрузка на горизонтальную проекцию покрытия :
где
sg – расчётное значение веса снегового покрова; определяется в зависимости от снегового района;
– коэффициент перехода от веса снегового покрова земли к снеговой нагрузке на покрытие;
при уклоне кровли α ≤ 25° μ = 1;
при уклоне кровли α ≥ 60° μ = 0 (снега нет).
Москва
табл. 4* СНиП 2.01.07-85*
μ
μ
1,25μ
0,75μ
α
учитывается при 20° ≤ α ≤ 30°
Вар. 1
Вар. 2
b = 2h
при h > sg /2
h – в м; sg – в кПа
μ
Учёт снеговых мешков

Снеговая нагрузка
В СНиП 2.01.07-85* до 2003 г. приводилась нормативная снеговая нагрузка:
для г. Москвы sn = 100 кг/м2.
Расчётная снеговая нагрузка:
s = 100 ⋅ 1,4 = 140 кг/м2,
где 1,4 – коэффициент надёжности по нагрузке (γf).
В СНиП 2.01.07-85* после изменений 2003 г. стала приводиться расчётная снеговая нагрузка:
для г. Москвы sg = 180 кг/м2 (повышена).
Нормативное значение снеговой нагрузки
sn = 180/1,4 = 126 кг/м2.
По МГСН 4.19-05 расчётное значение снеговой нагрузки для Москвы составляет
sg = 200 кг/м2 (ещё более повышена).
Длительной является снеговая нагрузка с пониженным расчётным значением, определяемым умножением полного значения на коэффициент 0,5.
длительная
кратковременная
Распределение снеговой нагрузки по месяцам

Ветровая нагрузка
Ветровая нагрузка на сооружения определяется как сумма двух составляющих:
средней (статической);
пульсационной (динамической) – не учитывается, если высота здания менее 36 м и отношение высоты к пролёту менее 1,5.
Наветренная сторона, активное давление ветра (са = 0,8)
Подветренная сторона, пассивное давление ветра (ср = 0,6)
ветер
сооружение
10 м
Расчётная воздействия статической составляющей ветровой нагрузки
статическая составляющая
динамическая составляющая
время

Ветровая нагрузка
Расчётное значение средней составляющей ветровой нагрузки :
где
w0 – нормативное значение ветрового давления; определяется в зависимости от ветрового района;
k – коэффициент изменения ветрового давления по высоте; принимается в зависимости от типа местности (А,В,С);
с – аэродинамический коэффициент; в простейшем случае са = 0,8; ср = 0,6;
γf – коэффициент надёжности по нагрузке; для ветровой нагрузки γf = 1,4.
Москва
(по табл. 6 СНиП 2.01.07-85*)
Тип А – открытые побережья морей, озёр; пустыни, степи, лесостепи, тундра;
Тип В – городские территории, лесные массивы и другие местности, равномерно покрытые препятствиями высотой более 10 м;
Тип С – городские районы с застройкой зданиями высотой более 25 м.
(по табл. 5 СНиП 2.01.07-85*)

РАСЧЁТ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ ПО МЕТОДУ ПРЕДЕЛЬНЫХ СОСТОЯНИЙ
Предельные состояния металлических конструкций
Обобщённое условие расчёта
Учёт условий работы конструкций и ответственности сооружений
Расчёты на прочность при растяжении, изгибе, срезе, смятии
Проверка общей и местной устойчивости
Расчёт на действие местных напряжений
Расчёт на выносливость
Блок 4

Предельные состояния металлических конструкций
* Расчёт на выносливость проводят для конструкций, непосредственно испытывающих воздействие многократно-повторных нагрузок (мосты, подкрановые балки).
С 1955 г. расчёт всех строительных конструкций в нашей стране проводится по методу предельных состояний.
Предельное состояние конструкции – это её состояние, при котором она перестаёт отвечать предъявляемым к ней требованиям безопасности или эксплуатационной пригодности.
Нормы проектирования предусматривают две группы предельных состояний.
Несущая способность конструкции
в качественном отношении – это способность конструкции воспринимать действующую нагрузку.
в количественном отношении – это максимальная величина нагрузки, которую может выдержать конструкция.
Нормальная эксплуатация – это эксплуатация, осуществляемая в соответствии с предусмотренными технологическими или бытовыми условиями.

Обобщённое условие расчёта по первому предельному состоянию
Наибольшие усилия в конструкции N от внешних нагрузок не должны превышать её наименьшей несущей способности Ф:
р(F)
р(Ф)
Усилия от внешних нагрузок (F)
Несущая способность конструкции (Ф)
Резерв (запас) прочности
нормативное усилие
расчётное усилие
расчётная несущая способность
нормативная несущая способность
плотность распределения
Fn
Фn
Ф
F
Расчётная нагрузка больше, чем нормативная.
Расчётное сопротивление меньше, чем нормативное.

Обобщённое условие расчёта по первому предельному состоянию
До 1955 г. использовались методы расчёта
по допускаемым напряжениям:
по разрушающим усилиям:
нормативная нагрузка
коэффициент надёжности по нагрузке
коэффициент сочетаний
коэффициент надёжности по назначению
геометрия сечения
нормативное сопротивление
коэффициент надёжности по материалу
коэффициент условий работы
расчётная нагрузка
расчётное сопротивление
k – коэффициент запаса (k ≈ 1,5).
В методе предельных состояний единый коэффициент запаса был разделён на несколько коэффициентов:

Учёт ответственности сооружений и условий работы конструкций
Для учёта ответственности зданий и сооружений, характеризуемой экономическими, социальными и экологическими последствиями их отказов, расчётные значения нагрузок умножают на коэффициент надёжности по назначению здания γn.
По прил. 7* СНиП 2.01.07-85*
Для учёта условий работы конструкций, не отражённых непосредственно в расчётах, расчётные сопротивления материалов умножают на коэффициент(ы) условий работы γс.
По табл. 6* СНиП II-23-81*

Предельные прогибы конструкций назначаются по табл. 19 СНиП 2.01.07-85* исходя из конкретных эксплуатационных требований:
Технологических (обеспечение условий нормальной эксплуатации технологического оборудования);
Конструктивных (обеспечение целостности примыкающих друг к другу элементов);
Физиологических (предотвращение ощущений дискомфорта при колебаниях);
Эстетико-психологических (обеспечение благоприятного впечатления о безопасности конструкции).
Обобщённое условие расчёта по второму предельному состоянию
прогиб от нормативных нагрузок
жёсткость
предельно допустимый прогиб
Прогибы (или перемещения) конструкции f от нормативных нагрузок не должны превышать предельно допустимых значений fu:
Предельные прогибы балок
(по эстетико-психологичеким требованиям)

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.
N
N

Расчёт на прочность при плоском изгибе
Нормальные и касательные напряжения в произвольном сечении z:
l
q
z
Условие прочности по приведённым напряжениям (reduced = приведённый) :
При τ = 0 (сечение с Mmax) :
При σ = 0 (сечение с Qmax) :
x
x
Wxn – момент сопротивления сечения нетто, см3;
Sx – статический момент полусечения, см3;
Jxn – момент инерции сечения нетто, см4;
tw – толщина стенки, см;
Rs – расчётное сопротивление стали срезу, кН/см2; Rs = 0,58 Ry

Учёт развития пластических деформаций при расчёте на прочность при изгибе
a
a
a
a
l
q
lpl
Mel = WxRyγc
Mpl = cWxRyγc
Ry
Ry
Ry
Ry
σ < Ry
σ < Ry
Зона ограниченного развития пластических деформаций
Эпюры нормальных напряжений
с – коэффициент, учитывающий развитие пластических деформаций (по табл. 66 СНиП); при отношении Af/Aw = 0,5 значение с = 1,12.
коэффициент, учитывающий развитие пластических деформаций
Af
Af
Aw
При расчёте на прочность разрезных балок из стали с пределом текучести до 530 МПа, несущих статическую нагрузку, допускается учитывать ограниченное развитие пластических деформаций (п. 5.18* СНиП II-23-81*):

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

Местные напряжения в стенках элементов
σloc
σloc
F
V
Местные напряжения в стенках балок и колонн возникают в местах приложения значительных сосредоточенных усилий – как активных (внешних нагрузок), так и и реактивных (опорных реакций).
Прочность стенок при действии местных напряжений должна быть проверена расчётом.
Расчёт производить не требуется, если стенка в местах приложения сосредоточенной нагрузки укреплена поперечными рёбрами жёсткости.
Если балка рассчитывается с учётом развития пластических деформаций, установка поперечных рёбер жёсткости в местах действия сосредоточенных нагрузок является обязательной (п. 5.21 СНиП).
рельс
колесо крана
σloc – местные напряжения
(local = местный)

Расчёт на прочность при действии местных напряжений
b – ширина опорной пластинки;
tf – толщина верхнего пояса (в сварной балке) или расстояние от наружной грани полки до начала внутреннего закругления стенки (в прокатной балке).
Условие расчёта:
b
F – расчётное усилие, кН;
t – толщина стенки, см;
lef – условная длина распределения местных напряжений, см:
45°
lef
tf
tf
tf
tw
tw
A
A
A-A
A-A
сварная балка
прокатная балка
поперечное ребро жёсткости
площадка смятия
опорная планка
Способы снижения местных напряжений:
Установка поперечных рёбер жёсткости;
Увеличение ширины опорной планки;
Увеличение толщины стенки [-].

Конструктивные требования к поперечным рёбрам жёсткости (п. 7.10 СНиП II-23-81*)
Поперечные рёбра жёсткости воспринимают сосредоточенные усилия и равномерно распределяют их на всю толщину стенки.
40
60
hw
bh
th
ширина парного ребра
ширина одностороннего ребра
толщина ребра
Скос ребра жёсткости для пропуска поясных швов

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
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.

Расчётная длина сжатого стержня
Расчётная длина стержня – это эквивалентная из условия устойчивости длина шарнирно опёртого стержня той же жёсткости.
Геометрически расчётная длина определяется как расстояние между точками перегиба изогнутой оси стержня.
Методика расчёта стержней на устойчивость с использованием коэффициента расчётной длины была предложена Ф.С. Ясинским в 1894 году.
lef
H
N
констр. сх.
расч. сх.
x
x
y
y
lef = μ · H
μ - коэффициент расчётной длины.

Изменение первоначальной формы отдельного элемента конструкции при сохранении формы всей конструкции называется потерей местной устойчивости.
Обеспечение местной устойчивости
N
стенка
пояс (полка)
Балка
Колонна
Местная устойчивость стенки и полок фасонного проката (двутавр, швеллер и пр.) не требует проверки, так как она учтена при разработке сортамента.

Расчёт на местную устойчивость
Общий вид условия обеспечения местной устойчивости полки:
bef – ширина свеса полки, см;
tf – толщина полки, см;
λuf – предельная условная гибкость полки по СНиП II-23-81*.
hw
tw
tf
bef
Общий вид условия обеспечения местной устойчивости стенки:
hw – высота стенки, см;
tw – толщина стенки, см;
λuw – предельная условная гибкость стенки по СНиП II-23-81*.
Способы обеспечения местной устойчивости полки:
1) Уменьшение bef
2) Увеличение tf
Способы обеспечения местной устойчивости стенки:
1) Установка поперечных и продольных рёбер жёсткости
2) [-] увеличение tw

СВАРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ
Общие сведения о технологии сварки
Виды сварных швов и соединений
Стыковые сварные швы. Конструктивные требования и расчёт
Угловые сварные швы. Конструктивные требования и расчёт
Дефекты сварных соединений
Блок 5

Электродуговая сварка
Электродуговая сварка основана на возникновении электрической дуги между электродом и свариваемыми деталями.
Дуга создаёт температуру более 1500°С, что приводит к расплавлению основного металла и металла электрода. В результате в зоне контакта образуется сварной шов.
Назначение обмазки электрода
При плавлении электрода обмазка создаёт шлаки и газы, защищающие шов от окисления и быстрого охлаждения, улучшающие механические свойства шва и стабилизирующие горение дуги.
свариваемые элементы
зажим
источник тока
эл. дуга
шов
обмазка
электрод
держатель

Виды электродуговой сварки
Ручная
Наименее качественная;
Осуществляется электродами с обмазкой;
Используется для монтажных швов.
Автоматическая
Наиболее качественная;
Осуществляется сварочной проволокой без обмазки, защита шва осуществляется слоем сыпучего материала – флюса (гранулированного шлака);
Применяется для заводских швов большой длины.
Полуавтоматическая
Подача сварочной проволоки осуществляется автоматически, а перемещение аппарата вдоль шва – вручную;
Применяется при малой длине шва, а также в местах, недоступных для автоматического сварочного аппарата.

Виды сварных швов
Торцы деталей приставляют один к другому встык и сваривают
Условные обозначения
Выполняются на заводе-изготовителе
Угловые швы
Стыковые швы
Заводские швы
Монтажные швы
Шов наплавляется в угол, образуемый свариваемыми элементами
Выполняются на строительной площадке

Виды сварных соединений
Фланговые швы расположены параллельно действующему усилию
Лобовые швы расположены перпендикулярно действующему усилию
Стыковое
Угловое
Тавровое
Нахлёсточное

Виды сварных соединений

Расчёт угловых швов
Корень шва
Угловые швы рассчитываются на срез.
Предполагается, что разрушение шва может произойти по одному из двух сечений:
1 – по металлу шва;
2 – по металлу границы сплавления сварного шва с основным металлом.
kf - катет шва;
βf, βz – коэффициенты глубины проплавления шва;
при ручной сварке βf = 0,7; βz = 1,0 (табл. 34* СНиП II-23-81*).

Расчёт угловых швов
Условия расчёта:
1 – по металлу шва:
2 – по металлу границы сплавления:
n – число швов;
Rwf , Rwz – расчётные сопротивления; Rwf – по табл. 56 СНиП; Rwz = 0,45 Run ;
γwf , γwz – коэффициенты условий работы сварного соединения при низких температурах (обычно равны 1,00);
lw – расчётная длина шва, принимается меньше фактической на 1 см из-за снижения качества сварки на концах шва.

Выбор типа электродов
Прочность шва должна несколько превышать прочность основного металла
Нормативное сопротивление 375 МПа (38 кг/мм2)
Фрагмент табл. 55* и 56 СНиП II-23-81*
Нормативное сопротивление 490 МПа (50 кг/мм2)

Конструктивные требования к угловым швам
Из двух швов с одинаковой несущей способностью более экономичным является шов с меньшим катетом и большей длиной.
Минимальная расчётная длина шва:
lw ≤ 4kf ; lw ≥ 40 мм
Максимальная расчётная длина фланговых швов:
lw ≤ 85βf kf
(так как усилия по длине фланговых швов распределены неравномерно)
Минимальный катет шва
определяется по табл. 38* СНиП
Минимальный катет шва kf,min
определяется по табл. 38* СНиП в зависимости от наибольшей толщины соединяемых элементов tmax
Максимальный катет шва:
kf,max = 1,2 tmin ,
tmin – наименьшая из толщин соединяемых элементов
kf
kf
tmin
kf
kf
tmin
kf ≤ 1,2 tmin
kf ≤ tmin

Если для сварки выбраны электроды в соответствии с требованиями СНиП, то стыковые швы принимаются:
- при сжатии – равнопрочными основному металлу (расчётное сопротивление шва Rwy = Ry) и не рассчитываются;
- при растяжении – имеющими прочность, на 15% меньшую прочности основного металла (Rwy = 0,85 Ry).
Расчёт стыковых швов
Условие расчёта:
lw – расчётная длина шва; при выводе концов шва на технологические планки lw = b, иначе lw = b – 2t .
Швы можно не рассчитывать, если
- осуществляется контроль их качества физическими методами (например, ультразвуковым) – для заводских швов;
- шов выполняется с уклоном не менее 2:1, что увеличивает его расчётную длину – для монтажных швов.
N
N
N
N
t
b
N
N
2
1
b/2
b

Конструктивные требования к стыковым швам
Подварка корня шва
(для монтажных швов)
Вывод концов шва на технологические планки
(для заводских швов)
Обработка кромок шва

Сварочные деформации
Последовательность сварки монтажного стыка
Продольная усадка угловых швов
(или почему невозможно изготовить сварной профиль таврового сечения)
Поперечная усадка угловых швов
Поперечная усадка стыковых швов

Дефекты сварных швов
Применение растянутого стыка через поперечную прокладку не рекомендуется
(в сжатых стыках это возможно)
Дефекты из-за необработанной кромки угловых швов
Дефекты стыковых швов
Обработка кромок

БОЛТОВЫЕ СОЕДИНЕНИЯ
Виды болтов и болтовых соединений
Классы точности болтов
Классы прочности болтов
Расчёт болтовых соединений на срез и смятие
Расчёт соединений на высокопрочных болтах
Конструктивные требования к размещению болтов
Блок 6

Общие соображения
В строительстве применяются:
Обычные болты с гайкой и шайбой;
Фундаментные (анкерные) болты;
Самонарезающие болты.
Болтовые соединения, в отличие от сварных, имеют более простую технологию выполнения и поэтому широко применяются при монтаже. Монтажные болты устанавливаются примерно в 2 раза быстрее, чем производится сварка. Болтовое соединение является разъёмным.
Однако болтовые соединения по сравнению со сварными являются более металлоёмкими и весьма деформативными. Последний недостаток устраняется применением фрикционных соединений на высокопрочных болтах.

Условные обозначения
Постоянные болты в заводских и монтажных соединениях
Временные болты в монтажных соединениях
Высокопрочные болты
Условные обозначения

Классы точности болтов
В зависимости от требований к точности диаметра болтов различают три класса точности (А, B, C):
в соединениях на болтах классов точности В и С диаметр отверстия превышает диаметр болта на 2…3 мм (в отдельных случаях – на 3…5 мм), что позволяет просверливать отверстия в каждой детали в отдельности – это «чёрные» болты;
в соединениях на болтах класса точности А диаметр отверстия не должен превышать диаметр болта более чем на 0,3 мм (такие отверстия получают, например, сверлением их на проектный диаметр в собранных элементах) – это «чистые» болты; раньше они использовались в особо ответственных соединениях, а сейчас из-за трудоёмкости установки их применяют редко, более эффективными являются высокопрочные болты.
В зависимости от требований к точности диаметра отверстий различают «чистые» и «чёрные» болты:

Классы прочности болтов
Наиболее широко применяют болты классов прочности 5.8 и 5.6 диаметром 16, 20, 24 мм.
первое число, умноженное на 100, равно временному сопротивлению, МПа;
произведение чисел, умноженное на 10, равно пределу текучести, МПа.
5.8
В зависимости от прочностных характеристик болты делят на классы прочности:
(классы прочности записываются через точку)

Виды болтовых соединений
Наиболее широкое распространение получили следующие виды болтовых соединений:
 Срезные соединения - воспринимают внешние усилия вследствие сопротивления болтов срезу и соединяемых элементов смятию, вследствие чего обладают повышенной деформативностью.
 Фрикционные соединения (сдвигоустойчивые соединения на высокопрочных болтах) -воспринимают внешние усилия вследствие сопротивления сил трения, возникающих по контактным плоскостям соединяемых элементов от предварительного натяжения болтов. Усилия натяжения контролируют, а соединяемые поверхности подвергают обработке.
 Фрикционно-срезные соединения (комбинированные).
 Фланцевые соединения - воспринимают внешние усилия вследствие сопротивления болтов растяжению; здесь несущая способность болтов используется наиболее полно.

Работа болтового соединения на срез и смятие
Смятие поверхности отверстия
Срез болта
Двухсрезное соединение
Односрезное соединение

Расчёт болтового соединения на срез и смятие
Расчётное усилие, воспринимаемое одним болтом при его работе на срез:
Расчётное усилие, воспринимаемое одним болтом при работе поверхности отверстия на смятие:
Rbs – расчётное сопротивление болта срезу (по табл. 58* СНиП);
γb – коэффициент условий работы болтового соединения (по табл. 35* СНиП); неравномерность работы многоболтового соединения учитывается коэффициентом γb = 0,9;
Ab – площадь сечения болта (по табл. 62* СНиП);
ns – расчётное число срезов болта.
Rbp – расчётное сопротивление смятию соединяемых элементов (по табл. 59* СНиП);
db – диаметр болта;
Σtmin – наименьшая суммарная толщина элементов, сминаемых в одном направлении.
Необходимое число болтов в соединении :
где

Расчёт болтового соединения на растяжение
Расчётное усилие, воспринимаемое одним болтом при его работе на растяжение:
Rbt – расчётное сопротивление болта растяжению (по табл. 58* СНиП);
Abn – площадь сечения нетто болта (по табл. 62* СНиП).
Фланец

Расчёт фрикционного соединения на высокопрочных болтах
Расчётное усилие, воспринимаемое одной поверхностью трения соединяемых элементов:
Rbh – расчётное сопротивление высокопрочного болта растяжению; Rbh = 0,7 Rbun (Rbun – наименьшее временное сопротивление разрыву, определяется по табл. 61* СНиП);
γb – коэффициент условий работы болтового соединения, зависящий от количества болтов (п. 11.13* СНиП);
Abn – площадь сечения нетто болта (по табл. 62* СНиП);
μ - коэффициент трения, зависящий от качества обработки поверхностей (по табл. 36* СНиП);
γh – коэффициент надёжности, зависящий от вида нагрузки (статическая или динамическая), разности номинальных диаметров отверстий и болтов (1…6 мм), способа регулирования натяжения.
Необходимое число болтов в соединении :
Контролируемое усилие натяжения болта :
nf – количество поверхностей трения соединяемых элементов.

Конструктивные требования к размещению болтов
Минимальные расстояния между центрами отверстий болтов назначаются из условия прочности материала соединяемых элементов.
Максимальные расстояния между центрами отверстий болтов назначаются
- при сжатии – из условия устойчивости соединяемых элементов на участке между болтами;
- при растяжении – из условия обеспечения плотного соединения элементов во избежание попадания в зазоры влаги и пыли, способствующих коррозии.
tmin
s2
s2
s1
tmin
db
s1 ≥ 2,5 db
s1 ≤ 8 db
s1 ≤ 12 tmin
s2 ≥ 2 db
s2 ≤ 4 db
s2 ≤ 8 tmin
Размещение болтов осуществляется в соответствии с конструктивными требованиями (табл. 39 СНиП).