Слайд 1МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«КУЗБАССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
имени Т. Ф. ГОРБАЧЕВА»
Рекомендовано учебно-методической комиссией направления 08.03.01 «Строительство» в качестве электронного издания для использования
в учебном процессе
Кемерово 2016
Составитель Н. А. ДЬЯКОВА
ОСНОВЫ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
РАЗДЕЛ 3. МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ
МАТЕРИАЛ К ЛЕКЦИОННОМУ КУРСУ
Слайд 2Рецензенты:
Хозяинов Б. П. – доцент кафедры строительных конструкций, водоснабжения и водоотведения,
кандидат технических наук
Угляница А. В. – председатель учебно-методической комиссии направления 08.03.01 «Строительство»
Дьякова Наталья Александровна
Основы строительных конструкций. Раздел 3. Металлические конструкции : материал к лекционному курсу [Электронный ресурс]: для студентов направления 08.03.01 «Строительство», образовательная программа «Водоснабжение и водоотведение», всех форм обучения / сост. Н. А. Дьякова; КузГТУ. – Электрон. дан. – Кемерово, 2016. – Систем. требования : Pentium IV; ОЗУ 8 Мб ; Windows XP; мышь. – Загл. с экрана
© КузГТУ, 2016
© Дьякова Н. А., составление, 2016
Целью работы является оказание помощи студентам при самостоятельном изучении дисциплины «Основы строительных конструкций».
Слайд 4ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ
1. Промышленные большепролетные здания (30 м и
более) большой высоты
с кранами большой грузоподъемности
Слайд 52. Общественные большепролетные здания (спортивные и выставочные залы, рынки, павильоны)
Слайд 63. Производственные здания
из легких типовых несущих конструкций (ангары, гаражи, навесы)
Слайд 7
г. Уфа. 90-метровый высотный жилой дом
4. Жилые здания разной этажности
Слайд 8
Манхэттен, район Трайбек, проект 57-этажного жилого дома
Слайд 9
Жилые дома усадебного типа на основе металлического каркаса
Слайд 105. Реконструкция жилых
и общественных здания
Слайд 11Мост через Иртыш
6. Строительство мостов
больших пролетов
Слайд 12
г. Колбрукдейл, Англия
1779 г.
г. Эдинбург, Шотландия, 1890 г.
Слайд 13Детали, узлы и соединения мостов
Слайд 147. Строительство башенных сооружений
Слайд 158. Строительство резервуаров, трубопроводов
Слайд 16Строительство сооружений химического производства
и нефтепереработки
Слайд 179. Разработка архитектурных форм
и элементов декора
Слайд 19МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ
Сталь – это сплав железа
с углеродом.
Слайд 20 Сталь имеет кристаллическую решетку и состоит в основном из зерен феррита
с включением перлита. Эти составляющие определяют работу стали под нагрузкой.
Слайд 21Содержание примесей в сталях:
присутствуют в составе руды (неизбежные)
- кремний
и марганец (увеличивают предел текучести и временное сопротивление стали, снижая ее пластические свойства);
Марганец
Кремний
Слайд 22
- фосфор и сера (уменьшают прочностные характеристики, влияют на хрупкость, делая
сталь хладноломкой и склонной к образованию трещин)
Сера
Ферро фосфор
Слайд 23Содержание примесей в сталях:
легирующие компоненты (добавленные)
- ванадий, молибден, титан,
вольфрам (улучшают механические свойства стали: структуру, коррозионную стойкость).
Никель
Алюминий
Медь
Слайд 24КЛАССИФИКАЦИЯ СТАЛЕЙ
Стали классифицируются:
1. По применению:
I класс – строительная сталь (малоуглеродистая
< 0,25%, хорошо сваривается (трубы, арматура, заклепки);
II класс – конструкционная сталь (строительные конструкции, детали машин);
III класс – инструментальная сталь (высокоуглеродистая > 0,7%, отличается высокой прочностью и твердостью);
IV класс – сталь с особыми свойствами (магнитные, жаропрочные, нержавеющие).
Слайд 252. По содержанию легирующих компонентов (л.к.):
углеродистые – л.к. специально не
вводятся;
низколегированные – суммарное содержание л.к.
до 2,5%;
среднелегированные – л.к. 2,5…10%
высоколегированные – л.к. более 10%.
Слайд 263. По способу производства:
в мартеновских печах;
Слайд 294. По степени раскисления:
спокойные;
полуспокойные;
кипящие.
Раскисление – это процесс удаления
кислорода из жидкой стали.
Слайд 30КЛАССЫ И МАРКИ СТАЛЕЙ
Класс стали принимается по ГОСТ 27772-88 «Прокат
для
строительных стальных конструкций». Класс стали принимается в зависимости от расчетной температуры воздуха и групп конструкций. Например: класс С235:
- С - сталь;
- 235 - предел текучести стали (МПа).
Каждый класс содержит несколько марок, которые обозначаются буквенно-цифровым способом:
Слайд 31
Маркировка сталей:
малоуглеродистые стали
ВСт3кп5, АСт3сп6, 18пс
- А, В – категория стали,
гарантирующая механические свойства, гарантирующая механические свойства и отдельные свойства по химическому составу;
18 – содержание углерода до 0,18 %;
Ст3 – содержание углерода до 0,22 %;
кп – кипящая сталь, сп – спокойная;
5 или 6 – категории стали.
Слайд 32
легированные стали
09Г2, 12Г2С3, 10ХСНД
- 09, 12, 10 – содержание углерода
до 0,09%; 0,12% и 0,1% соответственно;
Г2 – содержание марганца до 2%;
С3 – содержание кремния до 3%;
Х – хром, Н – никель, Д – медь.
Слайд 33СОРТАМЕНТ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ
Это каталог профилей, поставляемых металлургическими заводами. В строительных конструкциях
применяются следующие профили:
- толстолистовая и универсальная сталь 4…60 мм,длиной до 12 метров (применяется для стенок и полок сплошных балок, колонн и других конструкций);
Слайд 34- тонколистовая сталь 0,2…3,9 мм длиной до 5 метров (кровли, настилы);
-
стальной профилированный настил, сталь волнистая (кровли, стеновое ограждение);
Слайд 35 Профили создаются в заводских условиях на специальных автоматизированных линиях
при помощи
системы валков.
Слайд 36- рифленая, просечная сталь (рабочие площадки, ступени лестниц);
Просечная сталь
Слайд 38 - фасонный прокат (уголки равнополочные и неравнополочные, двутавры, тавры и
швеллеры, трубы).
Швеллер
Уголок неравнополочный
Слайд 39Высота прокатного элемента в сантиметрах соответствует номеру проката (применяются для всех
видов конструкций)
Труба
Двутавр
Слайд 40 сварные профили (элементы профиля соединяются автоматической сваркой, например: у сварного
двутавра полки и стенка соединены сваркой).
Слайд 41 гнутые профили имеют такие же формы, что и у фасонных
профилей.
Слайд 42СОЕДИНЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ
Болтовые и заклепочные
(основаны на принципе
механического соединения)
Сварные, паяные и клееные
(основаны
на принципе
диффузного соединения)
Слайд 43Болтовые и заклепочные
Сварные, паяные и клееные
Слайд 44 СВАРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ
Преимущества:
низкая металлоемкость
(сечение не ослабляется
отверстиями);
малая трудоемкость
(применение автоматических
видов сварки);
обеспечение
непроницаемости
соединения.
Слайд 45Недостатки:
сварной шов является концентратором напряжения (после остывания остаточные напряжения делают место
шва наиболее хрупким);
выделение вредных газов (при масштабных работах эти газы требуется отводить);
высокая квалификация рабочих (для получения качественных сварных швов – наиболее ответственное место).
Слайд 46В зависимости от взаимного расположения свариваемых элементов различают соединения:
- стыковые;
- угловые;
- тавровые
- нахлесточные.
Слайд 47Для обеспечения качественной стыковой сварки кромки скрепляемых деталей обрабатываются в зависимости
от их толщины и вида сварки:
Слайд 48 Для сварки конструкций применяются:
ручная электродуговая сварка (наиболее трудоемкий вид,
ручной, соединения получаются более низкого качества, но распространены за счет своей универсальности: может производиться в любом положении и в труднодоступных местах);
Слайд 49автоматическая сварка (выполняется автоматом
с подачей сварочной проволоки, обеспечивается глубокое и
качественное проплавление деталей);
Слайд 50 Сварка колец
тонкостенных
бункеров
Аппарат для сварки газопровода
под водой
Сварочные автоматы для возведения и монтажа
уникальных сооружений
Слайд 51БОЛТОВЫЕ СОЕДИНЕНИЯ
Преимущества:
экономичность (не требует дорогостоящего и сложного оборудования.
несложный монтаж (простота
в установке);
надежность.
Недостатки:
ослабление сечения (отверстия под болты);
большая металлоемкость (имеют стыковые накладки).
Слайд 52Болты подразделяются на обычные (грубой, нормальной
и повышенной точности) и высокопрочные.
Отверстия под болты выполняются продавливанием или сверлением.
Размеры болтов и отверстий устанавливаются классом точности монтажа конструкций.
Слайд 53Заклепки применяются для соединения элементов тяжелых конструкций (водонапорных башен, бункеров и
т.д.) и легких деталей и элементов (ограждающие конструкции, элементы фасадов).
Слайд 55Болтовые соединения соединяются:
а) внахлестку
б) встык с накладками
Слайд 56Основной вид работы болтовых и заклепочных соединений – это работа на
сдвиг. Соединения могут разрушаться:
от перерезывания стержней болтов по плоскостям среза;
от смятия поверхностей отверстий соединяемых элементов.
Слайд 57Расчет болтовых соединений ведется двумя способами:
расчет по усилию (ведется из условий
прочности болтов на срез стержня болта или смятие металла соединяемых элементов, т.е. определяется количество болтов, которое требуется для заданного соединения).
Расчетное усилие, которое может воспринимать один болт, определяется:
- при срезе Nbs=Rbs∙Ab∙ns∙γb,
при смятии металла Nbp=Rbp∙db∙Σ t∙γb,
где Rbs, Rbp – расчетные сопротивления болтов на срез
и смятие соответственно;
Слайд 58
Ab – площадь сечения стержня болта;
db – наружный диаметр болта, см;
ns
– количество сечений срезов одного болта;
Σ t– наименьшая суммарная толщина соединяемых элементов.
Число болтов в соединении определяется по формуле
n ≥ N/Nmin
Nmin – наименьшее из значений расчетных усилий.
Слайд 59расчет по площади (подбор площади сечения болтов,
в зависимости от заданной
нагрузки). Выполняется
в том случае, если известно расчетное усилие
по прочности болтов на срез.
Необходимая площадь сечения болтов в соединении определяется
Ab = Nbs / Rbs∙ns∙γb,
При известной по ГОСТу площади одного болта (см2) определяется требуемое количество болтов.
Слайд 60 Болты в соединении располагаются по прямым линиям — рискам, параллельным действующему
усилию. Расстояние между двумя смежными рисками называется дорожкой, а расстояние между двумя смежными по риске болтами — шагом.
Слайд 61ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О БАЛКАХ
Стальные балки широко применяются в инженерных конструкциях зданий
и сооружений:
для покрытий и междуэтажных перекрытий зданий;
Слайд 62
рабочих площадок и конструкций подкрановых балок производственных зданий;
Слайд 63
в конструкциях мостов и эстакад;
Слайд 64
в конструкциях гидротехнических сооружений: затворов, шлюзов и т. д.
Слайд 65 Основная форма поперечного сечения стальных балок – двутавр, который применяется прокатным
или составным.
Составные балки применяются, если прокатные оказываются недостаточно мощными.
Слайд 66 Наиболее распространенными являются сварные балки, образуемые из трех листов: вертикального, называемого
стенкой и двух горизонтальных, называемых полками, которые привариваются к стенке.
Полка
Стенка
Слайд 67БАЛКИ И БАЛОЧНЫЕ КЛЕТКИ
Балочная клетка состоит из главных балок, перекрывающих больший
пролет, второстепенных балок и настила.
Балочной клеткой называется конструкция перекрытия или покрытия, которая состоит из системы балок, расположенных в двух направлениях.
Колонна
Главная балка
Второстепенная балка
Слайд 68
В качестве настила балочной клетки используются металлические листы (рабочие площадки цехов),
железобетонные плиты (пустотные или ребристые) или монолитное железобетонное перекрытие.
Слайд 69
металлические листы (рабочие площадки цехов);
Слайд 70
железобетонные плиты (пустотные или ребристые)
Слайд 71
монолитное железобетонное перекрытие выполняется по несъемной опалубке из профилированного настила.
Армирование перекрытия:
отдельными стержнями;
плоскими каркасами.
Слайд 72
Расположение второстепенных балок в балочных клетках решается несколькими способами:
- этажное (отметка
верха второстепенных балок выше отметки верха главных балок);
- пониженное (отметка верха второстепенных балок ниже отметки верха главных балок);
- в одном уровне с главными балками.
Слайд 73СТАЛЬНЫЕ КОЛОННЫ
Колонны являются одним из основных элементов каркасов производственных зданий. В
зависимости от высоты и пролета здания, наличия подъемно-транспортного оборудования, стальные колонны различаются на:
сплошные постоянного сечения (а);
сплошные переменного сечения (б);
решетчатые (в, г);
раздельные (д).
Слайд 74 СЕЧЕНИЯ СТАЛЬНЫХ КОЛОНН
сплошные прокатные и сварные;
сплошные составные (из сварных и
прокатных элементов);
Слайд 76ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
СТАЛЬНЫХ КОЛОНН
Основные элементы колонн:
оголовок – это поверхность, на которую
опираются вышележащие конструкции (стропильные конструкции покрытия). Состоит из опорной плиты толщиной 15…25 мм и ребер жесткости, которые прикрепляются угловыми сварными швами.
Слайд 77база – это конструкция, которая служит для крепления колонны к фундаменту
и обеспечивает равномерное распределение нагрузки. Состоит из опорной плиты,
к которой приваривается колонна. Размеры плиты определяются из условия прочности бетона фундамента (местное сжатие или смятие). Площадь плиты определяются по формуле A = N/Rb.
Слайд 78Конструкция базы бывает двух типов:
с траверсой (10…20 мм)
с фрезерованным торцом колонны.
Слайд 79Плита соединяется с фундаментом при помощи анкерных болтов ∅ 20…30 мм.
Слайд 81ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ СТАЛЬНЫХ ФЕРМ
Ферма – это конструкция, состоящая из отдельных стержней,
которые соединяются в узлах и образуют геометрически неизменяемую систему. Проектируются плоскими и пространственными.
Основными элементами фермы являются верхний и нижний пояс, которые соединяются между собой решеткой (раскосов и стоек).
Слайд 82ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ СТАЛЬНЫХ ФЕРМ
Фермы широко применяются в разных отраслях промышленности,
что связано с универсальностью неизменяемой системы:
опорные линии электропередач;
Слайд 83Опоры ЛЭП в виде одушевленных фигур на лыжных трассах Адлер-Сочи
Слайд 86ПОКРЫТИЯ ЗДАНИЙ
ПО СТАЛЬНЫМ ФЕРМАМ
В строительстве фермы применяются как конструкции
покрытия (стропильные конструкции).
Схемы покрытия:
балочные несущие конструкции – прогоны (швеллер, двутавр) и легкий кровельный ковер (сэндвич-панели, профилированный лист);
Слайд 87Фрагмент крепления балочного покрытия к стропильной ферме
Сэндвич-панель настила заводской готовности
Слайд 88
железобетонные крупноразмерные плиты покрытия, совмещающие функции прогонов и настила.
Слайд 89ТИПЫ ФЕРМ ПО ОЧЕРТАНИЮ РЕШЕТКИ
Очертания решеток ферм:
а) сегментная;
б)
треугольная
в) трапецоидальная;
г) с параллельными
поясами.
Слайд 90КОНСТРУИРОВАНИЕ ФЕРМ
Сечения элементов ферм принимаются сплошными:
спаренные или одиночные уголки,
тавры;
трубы или гнутосварные замкнутые профили.
Слайд 91
Стержни ферм из труб стыкуются
без дополнительных элементов (рис. а), стержни
решетки из прокатных элементов соединяются с поясами
при помощи фасонок – соединительных пластин (рис. б).
Фасонка
Слайд 92Наличие соединительных элементов (фасонок) и соединений увеличивает металлоемкость фермы
Сложная стыковка и
обрезка труб под нужным углом затрудняет изготовление фермы
Прокатное соединение
Трубчатое соединение
