Металлические конструкции презентация

Нормативные документы по металлическим конструкциям

Стальные конструкции
К достоинствам относятся:
непроницаемость;
индустриальность;
высокая надежность;
легкость;
быстрота монтажа;
возможность вторичного передела.
Недостатки:
слабая стойкость против коррозии;
потеря несущей способности при нагреве (до 600оС).
Алюминиевые конструкции
Достоинства:
плотность Al сплавов в 3 раза меньше плотности стали;
прочность некоторых Al сплавов больше прочности стали;
высокая стойкость против коррозии;
изделия из Al сплавов проще и дешевле соответствующих стальных изделий;
при отрицательных температурах хрупкость Al сплавов понижается, а у сталей повышается;
Антимагнитность.
Недостатки:
Модуль упругости Al сплавов меньше модуля упругости сталей;
Стоимость Al конструкций больше стоимости стальных конструкций;
Коэффициент линейного расширения в 2 раза больше, чем у сталей.
Достоинства и недостатки металлических конструкций

Относительная легкость конструкции из различных материалов
c = ρ/Ry

Стальные конструкции:
каркасы промышленных зданий (в металлургии, машиностроении, судостроении, авиастроении);
каркасы зданий больших пролетов общественного назначения (спортивные сооружения, выставочные павильоны, крытые рынки, гаражи, ангары, эллинги);
транспортные сооружения (мосты, путепроводы, виадуки, акведуки, эстакады);
каркасы высотных зданий;
высотные сооружения (башни, мачты, опоры высоковольтных линий электропередачи);
листовые конструкции (резервуары, трубопроводы, бункеры, газгольдеры);
крановые и другие подвижные конструкции (краны мостовые, козловые, портальные, башенные, краны-перегружатели, затворы, шлюзные ворота, судоподъемники);
конструкции специального назначения (атомные и химические реакторы, конструкции ракетных пусковых комплексов, радиотелескопы, морские сооружения континентального шельфа и т.п.).
Алюминиевые конструкции:
витрины, витражи, архитектурные детали и т.п.;
кровельные панели;
конструкции, работающие в агрессивной среде;
конструкции для строительства в отдаленных районах, т.к. за счет уменьшения веса снижается стоимость перевозок.
Области применения металлических конструкций и их номенклатура

Классификация нагрузок и воздействий:
ПОСТОЯННЫЕ ВРЕМЕННЫЕ
ДЛИТЕЛЬНЫЕ КРАТКОВРЕМЕННЫЕ
ОСОБЫЕ
СОЧЕТАНИЯ НАГРУЗОК: ОСНОВНЫЕ и ОСОБЫЕ

Сортамент
это каталоги ассортимента, поставляемых металлургическими заводами листов и фасонных профилей с указанием их формы, размеров, геометрических характеристик, массы и оформленные в виде государственных стандартов

Сортамент
Толстолистовая сталь толщиной 4-160мм, шириной от 600 до 3800мм и длиной до 12мм.
Сталь тонколистовая толщиной 0,5-4мм прокатывается холодным и горячим способами.
Сталь широкополосная универсальная толщиной 6-60 мм - не требует резки и выравнивания кромок при применении.
Сталь полосовая толщиной 4-60 мм и шириной до 200 мм - для изготовления гнутых профилей.
Рифленая сталь с ромбическими или чечевицеобразными выступами толщиной 2,5-8 мм и просечно-вытяжная сталь толщиной 4,5-6 мм, получаемая холодной вытяжкой листа с предварительно нанесенными разрезами.
Уголковые профили - равнополочные и неравнополочные) уголки.
Швеллеры с уклонами внутренних граней полок и с параллельными гранями полок.
Двутавры обыкновенные и широкополочные с параллельными гранями полок.
Широкополочные двутавры прокатывают трех типов: нормальные двутавры (Б), широкополочные двутавры (Ш), колонные двутавры (К).
Из широкополочных двутавров путем разрезки стенки в продольном направлении получаются тавровые профили.
Тонкостенные сварные двутавры изготавливают из листового проката.
Два вида профилей: открытые и закрытые (замкнутые, в т.ч трубы горячекатаные и электросварные).
Гнутые профили изготовляют из листа или полосы толщиной от 1 до 8 мм.
Одним из видов гнутых профилей - профилированный настил.

проектирование - 3%;
материал - 50%;
изготовление - 25%;
транспортные расходы - 7%;
монтаж - 15%.
Основные пути снижения стоимости конструкций заключаются в упрощении конструктивной формы элементов и их узлов, в сокращении числа вспомогательных деталей и стержней, в повышении технологичности элементов при их изготовлении, в широком применении принципов унификации и типизации.
Структура стоимости металлических конструкций

Строительные стали

Прочность - сопротивление материала внешним силовым воздействиям без разрушения.
Упругость - свойство материала восстанавливать свою первоначальную форму после снятия внешних нагрузок.
Пластичность - свойство материала получать остаточные деформации (не возвращаться в первоначальное состояние) после снятия внешних нагрузок.
Хрупкость - склонность материала к разрушению при малых деформациях.
Ползучесть - свойство материала непрерывно деформироваться во времени без увеличения нагрузки.
Твердость - свойство поверхностного слоя металла сопротивляться деформации или разрушению.
Коррозионная стойкость определяет долговечность стальных конструкций и зависит от химического состава.
Свариваемость.
Наклеп, старение, неравномерное распределение напряжений, усталость.
Физико-механические свойства стали

Физико-механические свойства стали
Первый закон Гука σ = Е·ε
Для стали E = tgα= 2,06·105 МПа = 2,06·104 кН/см2
коэффициент пропорциональности - модуль продольной деформации или модуль Юнга
Для алюминия Ea = 0,71·105 Мпа
Второй закон Гука τ = G·γ
G = 0,5E / (1+ν)
ν = 0,3 коэффициент поперечной линейной деформации – коэффициент Пуассона
Диаграмма Прандтля

Предельные состояния
Главная особенность расчетов строительных конструкций – необходимость учета изменчивости внешних воздействий, разброса прочностных характеристик материала и особенностей работы металла в конкретных условиях.
Расчет конструкций ведется по методике предельных состояний.
Предельными состояниями называются такие состояния, при наступлении которых сооружение становится непригодным к эксплуатации (первая группа предельных состояний) или его нормальная эксплуатация становится невозможной (вторая группа предельных состояний).
Методика расчета по предельным состояниям устанавливает соответствие между действующими нагрузками на сооружение и его несущей способностью..
Расчет конструкций должен гарантировать ненаступление предельного состояния.
Расчет металлических конструкций

Предельные состояния
В соответствии с основными положениями по расчету конструкций предельные состояния по степени возможных последствий разделены на две группы:
I Группа:
разрушение любого вида (вязкое, хрупкое, усталостное);
потеря устойчивости (сжатие, изгибаемые элементы, локальные зоны элементов);
превращение системы в механизм;
опрокидывание, скольжение, отрыв;
образование цепи пластических шарниров (более 2 шарниров на прямой одного элемента);
возникновение трещин.
II Группа:
деформации (прогибы, углы поворота);
колебание;
прочие нарушения, требующие временного прекращения эксплуатации и проведения ремонта.
Расчет металлических конструкций

Предельные состояния
Первая группа предельных состояний определяется прочностью элементов, устойчивостью, вибрационной прочностью, неизменяемостью конструкций, возникновением аварийных трещин.
Соблюдение условия: N ≤ Φ ,
где N - усилие в рассчитываемом элементе (функция нагрузки и воздействия);
Φ - предельное усилие, которое может выдержать элемент (функция свойства материала и размеров элемента).
Вторая группа предельных состояний определяется гарантией от появления недопустимых упругих деформаций и перемещений, затрудняющих эксплуатацию конструкций в нормальном режиме.
Соблюдение условия: f ≤ [ f ] ,
где f – перемещение конструкции (функция нагрузок);
[ f ] - предельное перемещение, допустимое по условиям эксплуатации (функция конструкции и ее назначения).
Расчет металлических конструкций

Предельные состояния
.
Расчет металлических конструкций
Метод предельных состояний относится к полувероятностным методам.
Значения расчетных внутренних напряжений от нагрузки определяются с обеспеченностью 0,999, т.е. допускается лишь 0,1% случаев превышения за весь период эксплуатации; значение расчетного сопротивления по пределу текучести устанавливается аналогично.

Нагрузки и воздействия
Постоянные нагрузки и воздействия - собственный вес конструкций, давление грунта, усилия от предварительного напряжения, гидростатическое и фильтрационное давление на гидросооружение.
Временные длительные нагрузки - вес стационарного оборудования, давление жидкостей и газов в емкостях и трубопроводах, а также температурные технологические воздействия.
Кратковременные нагрузки - снег, ветер, климатические температурные воздействия, подъемно-транспортное оборудование, толпа, а также воздействия волн, льда и судов на гидросооружения.
Особые нагрузки - аварийные, сейсмические, от воздействий взрыва и от изменения структуры грунтов.
В расчетах по первой группе предельных состояний в нормативные значения нагрузок рn вводят коэффициенты надежности по нагрузке γf >1,0 .
Например, для веса металлических конструкций γf =1,05 (1,1 - когда усилия от собственного веса превышают 50% общих усилий).
Расчетная нагрузка р = рn ·γf
Расчет металлических конструкций

Нагрузки и воздействия
Основные сочетания - постоянные, временные длительные и кратковременные нагрузки и воздействия.
Особые сочетания - постоянные, временные длительные, кратковременные нагрузки и воздействия + одна из особых нагрузок.
Малая вероятность одновременного воздействия нескольких нагрузок максимальной расчетной величины учитывается коэффициентом сочетания ψ ≤ 1,0.
Для временных длительных нагрузок ψ1 = 0,95 , для кратковременных ψ2 = 0,9.
В особых сочетаниях ψ1 = 0,95 , а ψ2 = 0,8, при этом особую нагрузку принимают без снижения. Для сейсмических районов значения коэффициентов сочетаний установлены в специальных нормах.
Расчет металлических конструкций

Нагрузки и воздействия
Для учета класса ответственности зданий и сооружений значения нагрузок и воздействий следует умножать на коэффициенты надежности по назначению (ответственности) γn.
Здания и сооружения по степени ответственности, которая определяется размером материального и социального ущерба при отказе, делят на три класса (уровня):
Класс I. Основные здания и сооружения объектов, имеющих особо важное хозяйственное и (или) социальное назначение, - главные корпуса ТЭС, АЭС, центральные узлы доменных печей, дымовые трубы высотой более 200 м, телевизионные башни, резервуары для нефти и нефтепродуктов вместимостью свыше 10 тыс. м3, крытые спортивные сооружения с трибунами, здания театров, кинотеатров, цирков, крытых рынков, учебных заведений, детских дошкольных учреждений, больниц, родильных домов, музеев, государственных архивов и т. п. - γn = 1,0.
Класс II. Здания и сооружения объектов, имеющих ограниченное хозяйственное и (или) социальное значение (объекты промышленного, сельскохозяйственного, жилищно-гражданского назначения и связи, не вошедшие в I и III классы) - γn = 0,95.
Класс III. Здания и сооружения объектов, имеющих ограниченное хозяйственное и (или) социальное значение, склады без процессов сортировки и упаковки для хранения сельскохозяйственных продуктов, удобрений, химикатов, угля, торфа и др., теплицы, парники, одноэтажные жилые дома, опоры проводной связи, опоры освещения населенных пунктов, временные здания и сооружения, ограды и т. п. - γn = 0,9.
Расчет металлических конструкций

Нагрузки и воздействия
Коэффициент условий работы γс учитывает самые различные факторы, сложно представляемые в аналитическом виде, как то: упрощение расчетной схемы, влияние коррозии, местные несовершенства, приближенный учет динамических воздействий и т.д.
γс < 1 - неблагоприятные условия эксплуатации;
γс > 1 - благоприятные условия эксплуатации.
Диапазон изменения 0,7 < γс < 0,2.
Расчет металлических конструкций

Нормативные и расчетные сопротивления стали
За предельное сопротивление материала для сталей, имеющих площадку текучести, принимается значение предела текучести.
Значения предела текучести и временного сопротивления, установленные в нормах, называется соответственно нормативным сопротивлением по пределу текучести Ryn и нормативным сопротивлением по временному сопротивлению Run.
Основной расчетной характеристикой стали является расчетное сопротивление, определяемое делением нормативного сопротивления на коэффициент надежности по материалу
Ry = Ryn / γm; Ru = Run /γm
При поставке сталей по ГОСТ 27772-88 для всех сталей кроме С590 и С590К γm = 1,025. При поставке стали по ГОСТ 370-93 и ГОСТ 19281-89 (с изменениями), а также для сталей С590 и С590К по ГОСТ 27772-88 γm =1,05.
При расчете конструкций с использованием расчетного сопротивления, установленного по временному сопротивлению, учитывают повышенную опасность такого состояния путем введения дополнительного коэффициента надежности γm =1,3.
Расчет металлических конструкций

Нормативные и расчетные сопротивления стали
Расчет металлических конструкций

Расчет по предельным состояниям
Предельное неравенство расчета по I группе предельных состояний:
ΣNi · Fi · γ fi · ψ ≤ Ryn · A · γ c / γ n · γ m ,
где: ΣNi - усилие в элементе от i-той единичной нагрузки;
Fi - значение i-той нагрузки;
γ fi - коэффициент надежности для i-той нагрузки;
ψ - коэффициент сочетания;
Ryn - нормативное сопротивление стали;
A - условная характеристика сечения;
γ c - коэффициент условий работы;
γ n - коэффициент надежности по назначению;
γ m - коэффициент надежности по материалу.
Для II группы предельных состояний:
Σfi · Fni · ψ ≤ [ f ] / γ n ,
где: Σfi - перемещение конструкции при единичной нагрузке;
Fni - значение i-той нормативной нагрузки;
[ f ] - предельное значение перемещений.
Расчет металлических конструкций

Примеры расчета металлических конструкций гражданских и промышленных зданий

Расчет балочных конструкций
Основные несущие элементы перекрытий зданий – стержни двутаврового сечения, работающие на изгиб (балки)
Конструктивные решения балочных перекрытий.
Перекрытие – система пересекающихся балок (балочная клетка).

Схема балочной клетки
1 – грузовая площадь вспомогательной балки; 2 – грузовая площадь главной балки; 3 – грузовая площадь колонны (рис. 1).

Нагрузка на перекрытие обычно принимается равномерно распределенной.
В рассматриваемых примерах равномерно распределенная нагрузка на перекрытие, включая собственный вес конструкций, составляет q0 = 5,0 кН/м2 , коэффициенты надежности по нагрузкам учтены.