Text
М.М. Жербин
В. А. Владимирский
МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ
КОНСТРУКЦИИ
Допущено Министерством высшего и
среднего специального образования УССР
в качестве учебного пособия для студентов
вузов, обучающихся по специальностям
«Городское строительство» и
«Архитектура»
БИБЛИОТЕКА j
Макеевского инженерно • I
строительного института *
ШЗ. №. . '
КИЕВ
ГОЛОВНОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО
ИЗДАТЕЛЬСКОГО ОБЪЕДИНЕНИЯ
„ВИЩА ШКОЛА"
1986
ВВЕДЕНИЕ
Металлические конструкции и их
применение в градостроительстве. Со-
временные металлические конструкции
из строительных сталей и легких
алюминиевых сплавов применяются в
зданиях и сооружениях в качестве
элементов, воспринимающих и переда-
ющих действующие нагрузки на фун-
даменты или на колонны и стены, сде-
ланные из других материалов.
Из металла могут быть выполнены
цесущие элементы покрытий и пере-
крытий (фермы, балки, арки, стерж-
невые плиты, мембраны, гибкие нити),
. колонны, связи, а также каркасы
Зданий или сооружений в целом. Кон-
струкции зданий и сооружений *пред-
стдаляют собой набор конструктивных
элементов, объединенных в системы,
форма которых определяется функци-
ональным назначением и экономиче-
скими условиями.
Конструктивные элементы состоят
из первичных прокатных или холодно-
гнутых профилей, выпускаемых метал-
лургической промышленностью (угол-
ков, швеллеров, двутавров, листов), и
в зависимости от назначения могут
иметь различные конструктивные ре-
шения.
Современный уровень развития ме-
таллических конструкций позволяет
осуществлять их серийное производ-
ство, а также создавать уникальные
здания и сооружения.
В городском строительстве металли-
ческие конструкции применяются, как
правило, в зданиях и сооружениях,
отличающихся большими пролетами,
высотой и нагрузками, а также в тех
случаях, когда другие материалы не
соответствуют условиям эксплуатации.
Металлические конструкции применя-
ются для объектов, возводимых в от-
даленных и труднодоступных пунктах,
доставка в которые железобетонных
конструкций экономически нецелесо-
образна.
По назначению строительные метал-
лические конструкции можно разде-
лить на три основные группы:
< 1. Несущие металлические кднструк-
ции, образующие основной каркас со-
оружения.
2. Ограждающие конструкции, вы-
полняющие тепло-, влаго- и звукоизо-
ляционные функции, а также воспри-
нимающие атмосферные нагрузки и
передающие их на несущие конструк-
ции.
3. Вспомогательные конструкции —
лестницы и площадки, предназначен-
ные для обслуживания технологиче-
ского оборудования или несущих кон-
струкций.
Номенклатура металлических кон-
струкций на объектах градостроитель-
ства отличается большим разнообра-
зием:
покрытия зданий больших пролетов
(50—300 м) общественного и произ-
водственного назначения — спортивные
и зрелищные сооружения, рынки, вок-
залы, ангары, авиасборочные и судо-
строительные цехи, гаражи;
каркасы общественных зданий —
дворцы спорта, театры, выставочные
павильоны;
3
38.54я73
Ж59
УДК 624.013Л0Т4(07)
Металлические конструкции/М. М. Ж е р б и н,
В. А. Владимирски й.— К.: Вища шк. Го-
ловное изд-во, 1986.— 215 с.
В учебном пособии изложены основы рас-
чета и конструирования элементов металличе-
ских конструкций, принципы, образования кон-
структивных форм и разработки конструктив-
ных схем зданий и сооружений. Уделено вни-
мание металлическим каркасам высотных зда-
ний и зданий малой этажности общественного
назначения, мачтовым и башенным опорам, а
также автодорожным мостам. Приводятся све-
дения об автоматизации проектирования и тео-
рии оптимального проектирования.
Предназначено для студентов вузов, обу-
чающихся по специальностям «Городское стро-
ительство» и «Архитектура».
Табл. 31. Ил. 177. Библиогр. 23 назв.
Рецензенты: доктор технических наук,
профессор А. В. Сильвестров (Днепропетров-
ский инженерно-строительный институт), док-
тор технических наук, профессор Ф. Е. Кли-
менко (Львовский политехнический институт)
Редакция учебной и научной литературы по
строительству и архитектуре.
Зав. редакцией В* -В Гаркуша I
3202000000-055
ЖМ2П(04)-86 255 86
© Издательское объединение
«Вища школа», 1986
каркасы высотных зданий, а также
здаций средней и малой этажности;
промышленные одноэтажные и мно-
гоэтажные здания;
мосты различного назначения;
башни и мачты, выполняющие функ-
ции опор различного назначения,—
антенные устройства радио и телеви-
дения, водонапорные сооружения, ды-
мовые и вентиляционные трубы;
листовые конструкции для хранения,
переработки и транспортирования
жидких, газообразных и сыпучих ма-
териалов — резервуары, газгольдеры,
бункера и силосы, трубопроводы боль-
шого диаметра;
специальные сооружения— мемори-
альные комплексы, поворотные антен-
ные устройства и др.
Широкое применение металлических
конструкций в строительстве объясня-
ется их существенными положитель-
ными свойствами:
1. Материалы металлических кон-
струкций — стали и алюминиевые
сплавы—обладают значительно боль-
шей относительной прочностью (проч-
ностью, отнесенной к плотности мате-
риала), чем другие строительные
материалы. Поэтому масса металличе-
ских конструкций оказывается неболь-
шой. Стальные конструкции легче ана-
логичных железобетонных в 7—10 раз.
Это позволяет возводить сооружения
с большими пролетами и высотой.
2. Металлические конструкции отли-
чаются высокой индустриальностькэ^стоимость сталей.
изготовления и монтажа благодаря^ (Применение металлических кон-
сравнительной простоте обработки инструкций открывает неограниченные
передела металла, технологичности
монтажных соединений, удобству тран-
спортирования, возможности монтажа
укрупненными блоками. Большинство
конструкций изготавливается на спе-
циализированных заводах, что позво-
ляет налаживать поточные линии для
автоматизированного производства
конструкций массового назначения.
3. При эксплуатации зданий и со-
оружений может возникнуть необходи-
мость частичной или полной их раз-
борки после завершения срока служ-
бы либо усиления при реконструкции.
При использовании металлических
конструкций такие мероприятия осу-
ществляются сравнительно легко.
К недостаткам металлических кон-
струкций относятся:
1. Подверженность сталей коррозии,
особенно при повышенной влажности
и агрессивности окружающей среды.
Для предотвращения коррозионных
потерь металла необходимо периоди-
чески осуществлять защиту конструк-
ций, что удорожает их эксплуатацию.
2. Низкая огнестойкость. Хотя стали
и алюминиевые сплавы являются не-
сгораемыми материалами, однако при
интенсивном нагреве стали при* тем-
пературах выше 400 °C, а алюминие-
вых сплавов свыше 100 °C происходит
потеря прочностных свойств и соору-
жения теряют несущую способность.
Поэтому пожарной защите металли-
ческих конструкций, в особенности
каркасов жилых и общественных зда-
ний, придается особое значение.
К недостаткам конструкций из алю-
миниевых сплавов относится необхо-
димость специальных мер для обеспе-
чения жесткости и устойчивости эле-
ментов из-за низкого модуля упругости
сплавов. Применение алюминиевых
сплавов в несущих конструкциях пока
еще сдерживается их высокой стоимо-
стью, которая в 8—12 раз превышает
возможности для получения уникаль-
ных. параметров строительных объек-
тов/(рис. 1).
В СССР выполнен проект радио-
мачты высотой в один километр и
разработано проектное решение бащ-
ни высотой 4000 м. В Японии для
обозрения острова Хонсю разработан
проект сигарообразной мачты высотой
3750 м, оттяжки которой анкерятся
в мощных пирамидальных, зданиях.
4
Рве, 1. Высоты некоторых башенных сооружений, построенных за последние 150 лет:
1 — шйнль Петропавловского собора в Ленинграде; 2 — радиотелевизионная башня системы Шухова в Москве;
J —башня Эйфеля в Париже; 4 — телевизионная башня в Киеве; 5— 100-этажное здание Джон-лэнкок билДинг
> Чикаго; 6— 102-этажное здание Эмпайр Стэйт билдннг в Нью-Йорке; 7 — 110-этажная башня Центра Меж-
дународной торговли в Нью-Йорке: 8 — 109-этажный небоскреб Сирс-билдинг в Чикаго; 9 — 130-этажное здание
(проект); 10 — 150-этажное здание в Чикаго; 11 — телевизионная башня в Торонто (Канада); 12 - 240-этажное
здание (проект)
Внутри ствола размещаются смотро-
вые галереи, рестораны, салоны, ско-
ростные лифты. Висячий мост в Вели-
кобритании через залив Хамбер
(1979 г.) имеет крупнейший в мире
пролет— 1410 м. В СССР разработан
проект вантового моста длиной 1592 м.
По одному из последних вариантов
пролет двухъярусного моста под же-
лезную и автомобильную дороги через
Мессинский пролив (Италия) состав-
ляет 3000 м (рис. 2).
Создание сооружений подобных мас-
штабов представляет для инженеров
и архитекторов большой интерес и
сопряжено с решением многих слож-
ных инженерных и эстетических за-
дач.
Основы советской конструкторской
школы проектирования металлических
конструкций были заложены в период
первых пятилеток. Ее особенностью,
в отличие от зарубежных школ, яв-
ляется одновременный учет трех ос-
5
Рис. 2. Сравнительные схемы некоторых современных вантовых и висячих мостов больших про-
летов:
/ — Московский мост в Киеве; 2 — вантовый переход через р. Днепр; 3 — проект висячего моста длиной
1416 м (ЦНИИПроектсталпконструкция им. Н. П. Мельникова); 4 — мост через залив Хамбер; 5 — проектное
предложение моста через Мессинский пролив
новных принципов проектирования:
наибольшая экономия металла; наи-
меньшая трудоемкость изготовления;
наибольшая скорость монтажа. При
разработке конструктивных решений
эти три принципа принимаются как
равноценные. Основным средством
для создания конструкций, отвеча-
ющих указанным требованиям, являет-
ся унификация — сведение к минимуму
числа типов конструктивных элементов,
габаритных и конструктивных схем
зданий и сооружений. Унификация
создает предпосылки для разработки
стандартных и типовых металлических
конструкций. Реализация трех прин-
ципов открывает возможности для ин-
дустриализации строительных метал-
лических конструкций.
Советская конструкторская школа
6
йе*галлистов создавалась коллектива-
ми институтов ЦНИИПроектсталькон-
струкция, ЦНИИСК и других с уча-
стием кафедр металлических конструк-
ций вузов. Базой для нее послужили
работы В. Г. Шухова. Значительную
роль в развитии советской школы про-
ектирования металлических конструк-
ций сыграли работы Е. О. Патона,
Н. С. Стрелецкого, Н. Д. Жудина,
С. А. Ильясевича, Г. Д. Попова,
В. М. Вахуркина и др,
К задачам, поставленным на совре-
менном этапе развития производства
строительных металлических конструк-
ций, связанным с дальнейшей ее ин-
дустриализацией, относятся:
снижение металлоемкости конструк-
ций за счет применения эффективных
профилей проката, сталей повышенной
и высокой прочности, а также совер-
шенствования методов проектирова-
ния;
разработка зданий из легких метал-
лических конструкций полной завод-
ской готовности, поставляемых на стро-
ительную площадку в виде комплектов
Несущих и ограждающих элементов;
, разработка конструкций, отвеча-
ющих требованиям изготовления на
автоматизированных поточных линиях
специализированных заводов и монта-
жа крупными блоками.
Краткий исторический обзор. Пер-
вое применение металла в достаточно
крупных строительных элементах
можно, по-видимому, отнести к III в.
до нашей эры. Это было установлено
по найденной в Индии (г. Дели) ме-
таллической колонне высотой 8 м и
массой 6 т, сделанной из кованых
железных листов. В X в. в Китае из
железа была построена 13-этажная
пагода. В период между XII и XVII вв.
металл использовался в виде затяжек
кирпичных сводов — арок, а также
скреп для каменной кладки. В каче-
стве примера можно назвать Успен-
ский собор во Владимире, построен-
ный в 1158—1160 гг.
Начиная с XVII в. в отдельных со-
оружениях пошляются металлические
наслонйые стро’пила и металлические
купольные конструкции — «корзинки»
глав церквей. Такие конструкции со-
хранились до настоящего времени,
например конструкции перекрытия
коридора ~ между притворами храма
Василия Блаженного в Москве (1555—
1560 гг.), колокольни «Иван Великий»
(1600 г.), перекрытие трапезной Тро-
ице-Сергиева монастыря пролетом
18 м в Загорске (1686—1692 гг.) и др.
Применению металла в строитель-
стве способствовало развитие метал-
лургической промышленности. В стро-
ительстве чугун начали использовать
лишь в XVIII в. Первые конструкции
из чугуна в России были применены
на Урале в 1725 г. при строительстве
перекрытия дозорной башни Невьян-
ского завода. В Европе первый чугун-
ный мост был сооружен в Силезии в
1794 г. через реку Стригай.
В 1850 г. по проекту выдающегося
инженера С. В. Кербедза в Петербур-
ге был построен чугунный мост через
Неву, имевший семь пролетов размером
от 32 до 48 м, перекрываемых поло-
гими чугунными арками двутаврового
сечения, с надсводным строением из
чугунных блоков. В Петербурге по-
крытие зрительного зала и сцены
Александрийского театра (ныне Ле-
нинградский академический театр дра-
мы им. А. С. Пушкина) было выпол-
нено из чугунных отливок и железных
поковок по проекту архитектора
К. И. Росси.
Уникальным сооружением является
купол Исаакиевского собора (архи-
тектор О. Монферран), сооруженный
в Петербурге в 1842 г. Этот купол
диаметром 21,83 м состоит из 24 чу-
гунных ребер, соединенных горизон-
тальными чугунными кольцами из
отдельных плит.
За рубежом одним из замечательных
сооружений, выполненных из чугуна,
железа и стекла, был Хрустальный
7
дворец, построенный в Лондоне в
1351 г. для всемирной выставки. Дли-
на здания составляла 563 м, ширина
124,5 м. В этом сооружении, по-види-
мому, впервые была принята мо-
дульная система планировки и уни-
фицированы отдельные элементы кон-
струкций.
Толчком к развитию металлических
конструкций явилось изобретение про-
ката. Прокатные станы для получения
уголкового, таврового и зетового се-
чений впервые появились в Англии
(1819—1820 гг.). В этот период кон-
струкции выполнялись из так назы-
ваемого ковкого железа (сварочного
и пудлингового), технология выплавки
которого была примитивной.
К середине XIX в. появился ряд
интересных сооружений, в которых
были применены металлические кон-
струкции из ковкого железа. В Петер-
бурге архитектор А. Н. Воронихин
применил для купола диаметром
17,7 м Казанского собора (построен
в 1801—1811 гг.) пространственную
систему, состоящую из двух рядов
железных ребер.
Металлические конструкции были
применены в Зимнем дворце для пере-
крытий над большой Церковью (про-
лет 12,9 м), Георгиевским тронным
залом (пролет 2Г,3 м) и Белым залом
(пролет 20 м). В хлебных амбарах
Калашниковских складов в Петербурге
в 1847 г. использовали железные фер-
мы.
Помимо гражданских зданий метал-
лические конструкции в тот период
в России начали применяться и в неко-
торых промышленных сооружениях.
Вторая половина XIX в. характери-
зуется дальнейшим развитием метал-
лических конструкций, связанным с
открытием бессемеровского (1856 г.),
мартеновского (1864 г.) и томасовско-
го (1878 г.) процессов производства
стали. Эти способы выплавки решили
проблему выпуска сталей в промыш-
ленных масштабах.
я
Прогресс в области металлических
конструкций вызвал дальнейшее раз-
витие теории расчета таких систем.
В развитие строительной механики
большой вклад внесли русские ученые.
Так, Д. И. Журавский впервые раз-
работал теорию расчета ферм, получил
формулу скалывающих напряжений
при изгибе; Ф. С. Ясинский — один из
создателей теории устойчивости сжа-
тых стержней. Н. А. Белелюбский
создал новую систему металлических
мостов, он один из авторов первого рус-
ского метрического сортамента фасон-
ного стального проката.
В гражданских зданиях металличе-
ские конструкции особенно интенсив-
но стали применяться во второй поло-
вине XIX в. В 1858 г. по проекту
Д. И. Журавского были собраны ме-
таллические конструкции шпиля вы-
сотой 48,5 м Петропавловского собора
в Петербурге, представляющие собой
сложное инженерное сооружение.
В этот период начали применять ароч-
ные и рамные системы. В 1879 г. арка-
ми пролетом 30,48 м был перекрыт
выставочный зал Сельскохозяйствен-
ного музея в Петербурге (архитектор
И. С. Китнер, инженер С. Б. Лукаше-
вич). В начале 80-х годов И. С. Кит-
нером было спроектировано здание
Сенного рынка в центре Петербурга
(ныне площадь Победы) .
Принципиальной вехой в развитии
стальных конструкций было изобрете-
ние в 1882 г. русским инженером
Н. Н. Бенардосом дуговой электро-
сварки металлов.
За рубежом в конце XIX в. метал-
лические конструкции находили раз-
личное применение в гражданском и
промышленном строительстве. Круп-
нейшим сооружением из металла яви-
лась башня Эйфеля высотой 300 м,
построенная в Париже в 1889 г.
После Великой Октябрьской соци-
алистической революции в связи с не-
обходимостью восстановления и раз-
вития заводов, фабрик, шахт и других
"предприятий металлические конструк-
ции в основном применялись на про-
. мышленных объектах. Начиная с
1931 г. их использование в граждан-
ском строительстве стало возрастать.
Та^, например, в 1935 г. в Ленинграде
был построен стальной сварной купол
над круглым залом Таврического
дворца диаметром 19 м при реставра-
ции перекрытия. Тогда же стальной
купол диаметром 36,5 м и высотой
14,4 м был возведен над зданием цир-
ка в г. Макеевке.
После Великой Отечественной вой-
ны стальные конструкции использова-
лись при восстановлении промышлен-
ных предприятий, в первую очередь
металлургической и горной промыш-
ленности, тяжелого машиностроения.
- В жилых и общественных зданиях
значительное развитие стальные кон-
струкции получили начиная с 50-х го-
дов, когда в Москве были построены
высотные здания со стальными кар-
касами.
Важный этап в развитии металли-
ческих конструкций — разработка в
50-х годах группой советских ученых
ъъ главе с профессором Н. С. Стре-
лецким нового метода расчета кон-
струкций, названного методом расчета
йо предельным состояниям, а также
^издание первой редакции Строитель-
ных норм и правил (СНиП) по рас-
чету й проектированию металлических
конструкций.
В 60-е и особенно 70-е годы в про-
мышленном строительстве создаются
такие уникальные сооружения, как
цельносварные здания мартеновских
цехов с кранами грузоподъемностью
900 т, крупнейший кислородно-конвер-
терный цех на ждановском металлур-
гическом заводе «Азовсталь», маши-
ностроительные цеха с кранами гру-
зоподъемностью 1200 т на заводе
«Атоммаш». Все больше жилых и об-
щественных зданий возводится с при-
менением металлических конструкций.'
В это же время строятся крупнейшие
мосты и вантовые переходы больших
пролетов, возводятся уникальные теле*
визионные башни большой высоты,
радиомачты и радиотелескопы, высот-
ные мемориальные сооружения. \
Одной из характерных особенностей
в прогрессе стальных конструкций
является применение новых сталей по-
вышенной и высокой прочности, изыс-
кание новых эффективных конструк-
тивных форм и видов соединений при
индустриальном изготовлении и мон-
таже конструкций.
Выдающуюся роль в развитии ме-
таллических конструкций, и в особен-
ности в послевоенный период, сыграли
работы академика Н. П. Мельникова,
имя которого присвоено в 1982 г. ин-
ституту ЦНИИПроектстальконструк-
ция в Москве, являющемуся головным
в стране по исследованию и проекти-
рованию металлических конструкций.
Особая роль в развитии сварки и
сварных конструкций в нашей стране
принадлежит Институту электросварки
им. Е. О. Патона АН УССР (г. Киев) .
Исследования в области металличе-
ских конструкций и разработка норм
осуществляются Центральным ордена
Трудового Красного Знамени научно-
исследовательским институтом стро-
ительных конструкций им. В. А. Куче-
ренко (ЦНИИСК) в Москве, а также
многими кафедрами металлических
конструкций строительных вузов.
♦ * ♦
Введение и главы I—VIII, XII
написаны заслуженным деятелем нау-
ки УССР, лауреатом Государственной
премии СССР, доктором технических
наук, профессором М. М. Жербиным;
главы IX, XI, XIV — XVI — кандида-
том технических наук, доцентом
В. А; Владимирским. Главы X, XIII
и XVII написаны совместно.
Глава I. СТРОИТЕЛЬНЫЕ СТАЛИ И АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ
Основные материалы, служащие для
изготовления металлических конструк-
ций,— строительные конструкционные
стали и алюминиевые сплавы. Чугун
практически не применяется в метал-
лических конструкциях, хотя в исклю-
чительных случаях может быть исполь-
зован в опорных частях, работающих
на сжатие.
1.1. ОСНОВНЫЕ МЕХАНИЧЕСКИЕ
СВОЙСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ СТАЛЕЙ
И ОСОБЕННОСТИ ИХ РАБОТЫ
ПОД НАГРУЗКОЙ
Применение сталей в конструкциях
различного назначения определяется
механическими свойствами и стои-
мостью.
Основные механические свой-
ства сталей следующие:
прочность — способность сопротив-
ляться внешним воздействиям;
упругость — способность восстанав-
ливать свою первоначальную форму
после снятия нагрузки;
пластичность — свойство не возвра-
щаться в первоначальное состояние
после снятия нагрузки (появление так
называемых остаточных деформаций);
хрупкость— разрушение при малых
деформациях.
^Основными механическими
характеристиками сталей, оп-
ределяющими меру прочности, упруго-
сти и пластичности, которые фиксиру-
ются в документах — сертификатах на
выплавленную сталь и нормируются
ГОСТами и техническими условиями,
являются: временное сопротивление ов,
МПа, предел текучести от, МПа; от-
носительное удлинение при разрыве
е, % (в сертификатах на сталь обычно
обозначается 65 или бю)^
Физическими характеристиками,
использующимися при расчете кон-
струкций, являются модуль упру-
гости, принимаемый для всех видов
сталей £ = 2,1 -105 МПа, коэффициент
температурного расширения а=
= 0,000012, коэффициент поперечной
деформации (Пуассона) v = 0,3.
Работа стали на растяжение. Основ-
ные механические характеристики оп-
ределяются опытным путем с помощью
испытания на растяжение стандарт-
ных круглых или плоских образцов
стали в специальных разрывных ма-
шинах. При этом зависимость между
напряжениями и удлинениями испы-
тываемого образца представляется в
виде диаграммы растяжения. При ис-
пытании образцов на современных ма-
шинах диаграмма растяжения вычер-
чивается машиной автоматически.
При приложении нагрузки сталь де-
формируется, т. е. удлиняется или
укорачивается (в зависимости от то-
го, какая приложена нагрузка — растя-
гивающая или сжимающая). До оп-
ределенных напряжений в образце,
вызываемых приложенной нагрузкой,
эти деформации будут упругими, т. е.
будут исчезать после снятия нагруз-
ки. При дальнейшем росте напряжений
появляются остаточные деформации,
которые сохраняются и после снятия
нагрузки. Это видно из диаграммы
ю
Рис. 1.1. Диаграммы растяжения сталей:
а — малоуглеродистой СтЗ; 6 — идеализированная диаграмма (Прандтля); в — малоуглеродистой СтЗ(/), повы
шейной (2) и высокой (3) прочности
растяжения малоуглеродистой строи-
тельной стали (рис. I. 1, а).
Для удобства построения диаграм-
му растяжения выражают в напряже-
ниях g=FIA, откладываемых по оси
ординат, и относительных удлинениях
$=(A//Zo) ЮО %, откладываемых по
оси абсцисс. В этих формулах: о —
нормальное напряжение; F—нагрузка;
А — первоначальная площадь образца
до его нагружения; е— относительное
удлинение; 1о—первоначальная длина
образца; Д/ — удлинение образца.
На прямолинейном участке диаграм-
мы (от 0 до точки /) напряжения и
относительные удлинения пропорцио-
нальны между собой, т. е. следуют за-
кону Гука, который выражается урав-
нением or=£g.
Напряжения в точке 1 называются
пределом пропорциональности опц. Вы-
ше точки 1 линейная зависимость на-
рушается, и на диаграмме появляется
криволинейный участок. От точки 1
до точки 2 материал продолжает еще
работать упруго (деформации пол-
ностью исчезают после разгрузки).
Выше точки 2 материал начинает ра-
ботать пластично, и после разгрузки
сохраняются остаточные деформации.
Напряжения в точке 2 называются
пределом упругости оу.
'В точке 3 после небольшого скачка
диаграмма образует горизонтальный
участок (с небольшими колебаниями),
называемый площадкой текучести. На
этом участке материал удлиняется без
приращения нагрузки, т. е. начинает
как бы течь. Напряжения, при кото-
рых образуется площадка текучести,
называются пределом текучести отГ)
В точке 4 материал снова начинает
воспринимать нагрузку (самоупрочня-
ется), но деформации опережают на-
пряжения, кривая полого поднимается
вверх до точки 5, в которой достига-
ет величины наибольших условных
напряжений, предшествующих раз-
рыву материала, называемых времен-
ным сопротивлением
Далее деформации в образце быст-
ро нарастают, образуется шейка, пло-
щадь сечения в этом месте резко
уменьшается, и разрыв образца про-
исходит уже при меньшей нагрузке
(точка 6).
Полное относительное удлинение е,
определенное после разрушения мате-
риала, — основной показатель пластич-
ности. Чем больше относительное уд-
линение, тем больше запас пластиче-
ской работы стали, который может
быть использован при расчете кон-
струкций^ Для мягких углеродистых
н
сталей е составляет 22—26 %. Стали
с относительным удлинением менее
13—14 % обычно в металлических кон-
струкциях не применяются.
В мелкозернистых качественных ста-
лях предел упругости почти совпадает
с пределом текучести. Определение
напряжений предела упругости сту для
каждой конкретной стали довольно
затруднительно, поэтому в расчетах
пределом упругости не пользуются,
считая, что до предела текучести ста-
ли работают упруго. Таким образом,
предел текучести — одна из важней-
ших механических характеристик
сталей.
В практических расчетах часто поль-
зуются идеализированной (упрощен-
ной) диаграммой растяжения, харак-
терной для идеального упругопластич-
ного материала, — диаграммой Пран-
дтля (рис. 1.1, б). В соответствии
с этой диаграммой материал на уча-
стке 0—/, т. е. до предела текучести,
работает упруго, а далее абсолютно
пластично.
Напряжения в реальных конструк-
циях, как правило, должны находить-
ся в пределах упругой работы мате-
риала (участок диаграммы 0—1 на
диаграмме Прандтля). Если они ока-
жутся выше предела текучести, то
после снятия нагрузки в материале
останутся остаточные деформации, что
в конструкциях не всегда допустимо.
Вместе с тем в соответствии со СНиП
11-23-81 в ряде случаев допускается
работа отдельных элементов стальных
конструкций с учетом развития пла-
стических деформаций.
Площадка текучести появляется в
мягких сталях, содержащих 0,1—0,3 %
углерода. В более прочных сталях она
сокращается, а у высокопрочных от-
сутствует вообще (рис. I. 1, в). В по-
следнем случае за условный предел
текучести принимаются напряжения,
соответствующие остаточной деформа-
ции, равной 0,2 %, которые обознача-
ются йог (в мягких сталях начало пло-
щадки текучести также соответствует
остаточным деформациям 0,2 %).
Работа стали при сложном напря-
женном состоянии. В практике прихо-
дится сталкиваться со сложным на-
пряженным состоянием, когда в точ-
ке действуют напряжения разных на-
правлений или различной природы
(например, при работе тонкостенных
стальных оболочек, где нормальные
напряжения oi и действуют во вза-
имно перпендикулярных направлениях
или в стенках балок, когда требуется
одновременно учитывать нормальные
0х и касательные %Ху напряжения).
В этом случае переход в пластиче-
скую стадию зависит уже не от од-
ного напряжения, а от функции не-
скольких действующих напряжений.
Применительно к конструкционным
сталям пластическое состояние насту-
пает тогда, когда удельная энергия
изменения формы тела при деформа-
ции достигает некоторого предельного
значения. На основании этого крите-
рия получена функция действующих
напряжений — так называемые приве-
денные напряжения ared, которые при-
равниваются к пределу текучести ма-
териала От. Для объемного напряжен-
ного состояния
®red =1^"— (<51^2 “F ®1®з) =
= от; (1.1)
при двухосном напряженном состоянии
Qred = + <52 — 3iQ2 = От*, (1.2)
при простом изгибе
^red = "1^ ах + = От’, (1.3)
при простом сдвиге
a red = 3txp = дт, ИЛИ
tXy = От;7 "И 3 = 0,6от. (1.4)
Хрупкость сталей. При работе на
растяжение сталь разрушается мед-
ленно и подвергается значительным
пластическим деформациям. Вместе с
12
Рис. 1.2. Хрупкое разрушение стали:
а — диаграмма хрупкого разрушения; б— образео
для испытания на ударную вязкость; « —зависимость
ударной вязкости стали СтЗ от температуры; / — ки-
пящая сталь; 2—спокойная сталь
тем возможно хрупкое разрушение
стали, происходящее внезапно при ма-
лых деформациях в пределах упругой
работы материала. Оно весьма опасно.
Одна и та же сталь в зависимости
от различных условий может разру-
шаться вязко или хрупко.
Переходу стали в хрупкое состояние
могут способствовать различные фак-
торы: эксплуатация при низких тем-
пературах, динамические воздействия,
некачественный химический состав,
крупнозернистость, недочеты в конст-
руктивной форме элемента и т. д. При
хрупком разрушении, обычно происхо-
дящем при высоких нормальных на-
пряжениях, диаграмма растяжения не
имеет площадки текучести и пласти-
ческой стадии и выглядит, как пока-
зано на рис. 1. 2, а.
Сравнительной оценкой склонности
стали к хрупкому разрушению служит
ударная вязкость, т. е. способность
сопротивляться удару. Для ее опреде-
ления из стали изготавливаются об-
разцы с надрезом с одной стороны
(рис. 1. 2, б), которые подвергаются
удару на маятниковом копре (удар-
ный изгиб). Ударной вязкостью назы-
вается работа излома, образца, отне-^
сенная к площади его сечения по над-
резу. Ударная вязкость обозначается
ан и измеряется в Дж/см?. Для мало-
углеродистой стали СтЗ ударная вяз-
кость при нормальной температуре
( + 20°С) ан = 70...100 Дж/см2.
Чем ниже ударная вязкость, тем
больше сталь склонна к хрупкому раз-
рушению. При понижении температу-
ры значения ударной вязкости падают,
что видно из кривой ан для стали СтЗ
(рис. I. 2, в).
Для каждой стали устанавливается
так называемый порог хладноломко
ста, т. е. та низшая температура, при
которой ударная вязкость равна
30 Дж/см2. Ниже этой температуры
эксплуатация конструкций из данной
стали становится опасной.
При проектировании металлических
конструкций для северных районов
страны выбираются стали, пригодные
для нормальной работы при заданных
низких температурах.
Основными факторами, влияющими
на работу сталей и способствующими
появлению хрупких трещин, являются:
1) наклеп; 2) старение; 3) неравно-
мерность распределения (концентра-
ция) напряжений; 4) усталость ме-
талла и 5) влияние температуры.
Наклепом называется повыше-
ние предела текучести и упругих
свойств стали с одновременным умень-
шением удлинения, вызываемое по-
вторными (с перерывами) нагружения-
ми стали за пределом текучести. Явле-
ние наклепа опасно для металличе-
ских конструкций и может появляться
при гибке и резке металла ножница-
ми, при пробивке отверстий и т. д. На
рис. I. 3, а сплошной линией показа-
ны последовательные формы диаграм-
мы растяжения образца после повтор-
ных нагружений, приводящих к диаг-
рамме хрупкого разрушения. При пер-
вом натфужении нагрузка была сня-
та в точке /, при втором — в точке 2,
при третьем — в точке 3.
та рением называют изменение
свойств стали во времени в результа-
те выделения из твердого раствора
13
Рис. 1.3. Факторы, влияющие на хрупкое разрушение стали:
а — наклеп; б— концентрация напряжений; в — диаграммы работы образцов с различными концентраторами;
г — кривая усталостной прочности стали СтЗ
избыточных компонентов (углерода, вержены кипящие, крупнозернистые и
азота и др.), образующих соединения загрязненные стали.
с железом. /^/Концентрация на пряже-
В процессе старения снижается пла* н и й. При одноосном напряженном
стичность и вязкость и повышается
хрупкость материала. Свойства мате-
риала меняются без существенного из-
менения его макроструктуры. Разли-
чают термическое старение (искус-,
ственное при нагреве и естественное
при нормальной температуре) и де-
формационное, Старению более под-
состоянии гладкого образца силовой
поток в образце распределяется рав-
номерно (рис. I. 3, б). Если в нем
сделать отверстие, прорезь или напла-
вить сварной шов, то линии силового
потока будут огибать эти препятствия
и вблизи них будут сгущаться — воз-
никает концентрация напряжений.
и
Концентрация напряжений характе-
ризуется коэффициентом концентра-
ции:
Й = <5тах/а0> 0*5)
где Стах — максимальные напряжения
в сечении образца в месте нарушения
формы; ао = F/An — номинальные на-
пряжения в сечении (здесь F — продоль-
ная сила; Ап — площадь сечения нетто,
с учетом ослабления сечения концент-
ратором).
Как видно из рис. I. 3, б, коэффи-
циент k зависит от формы концентра-
тора.
Отклонение траекторий силового по-
тока от прямолинейности свидетель-
ствует о наличии напряжений, дейст-
вующих в двух направлениях. Возник-
новение однозначного плоского напря-
женного состояния приводит к умень-
шению пластической области работы
материала и способствует хрупкому
разрушению. Чем выше уровень кон-
центрации напряжений, тем меньше
пластические деформации при разру-
шении, а зависимость напряжений от
Деформаций приближается к диаграм-
ме хрупкого разрушения (рис. I. 3, в),
что нужно учитывать при конструиро-
вании сварных конструкций, в особен-
ности из сталей высокой прочности, и
конструкций, эксплуатируемых при
низких температурах^
^сталость металла. Если
металл подвергать действию много-
кратно повторяющейся нагрузки, то
возникает явление усталости, прояв-
ляющееся в понижении прочности ме-
талла. Снижение прочности зависит от
количества нагружений— циклов. Чем
больше циклов нагружений, тем ниже
становится прочность металла. Проч-
ность стали с увеличением циклов на-
грузки снижается до определенной ве-
личины, называемой пределом вибра-
ционной прочности Овб или пределом
выносливости, чему соответствует при-
мерно два миллиона циклов приложе-
ния нагрузки. Дальнейшее увеличение
циклов нагрузки почти не сказывается
на вибрационной прочности. Нагрузка
может быть как переменной по знаку,
вызывающей в элементе конструкции
поочередно сжатие и растяжение, так
и переменной только по величине. Наи-
более опасной является знакоперемен-
ная нагрузка, при которой, например,
прочность стали может снижаться до
0,3—0,4 ав. На рис. 1.3, г приводится
кривая усталостной прочности стали
СтЗ (кривая Велера) в зависимости
от количества циклов приложения на-
грузки.’
Концентрация напряжений вызывает
заметное снижение предела выносли-
вости. Стали, обладающие более вы-
сокой прочностью, имеют и большую
величину Овб. Концентраторы значи-
тельно больше влияют на высоко
прочные стали, оВб которых может
снизиться до значения вибрационной
прочности менее прочных сталей. По-
этому в конструкциях, подверженных
действиям переменных нагрузок, ис-
пользование высокопрочных сталей не
всегда целесообразно.
Явление усталости проявляется в
конструкциях, подверженных динами-
ческим воздействиям, таких как мо-
сты, эстакады, подкрановые балки, и
должно учитываться при расчете и
конструировании.
В соответствии со СНиП II-23-81
элементы конструкций, непосредствен-
но воспринимающие многократно дей-
ствующие подвижные и вибрационные
нагрузки с количеством циклов нагру-
жений более 105, следует проверять на
выносливость и при конструировании
избегать появления концентраторов
напряжений.
Расчет на выносливость производит-
ся по формуле
вшах (I*®)
где а — коэффициент, учитывающий ко-
личество циклов нагружения; Rv — рас-
четное сопротивление усталости; —
15
коэффициент, зависящий от вида .напря-
женного состояния и коэффициента асим-
метрии напряжений p=amin/omax. Здесь
amin и атах — наименьшее и наибольшее
по абсолютному значению напряжения
в рассчитываемом элементе. Значения
а, То и р определяются в соответ-
ствии с п. 9.2 СНиП 11-23-81.
/Влияние температуры. Из-
менения температуры сказываются на
механических свойствах сталей. При
отрицательных температурах прочность
сталей несколько повышается, но зато
уменьшается пластичность.
При повышении температуры до
250 °C механические свойства стали
практически не изменяются. При тем-
пературах 300—330 °C сталь стано-
вится хрупкой. При более высоких
температурах хрупкость исчезает, но
зато происходит резкое падение значе-
ний от и Ов, а при температурах
600—650 °C наступает так называе-
мая температурная пластичность, ког-
да предел текучести приближается
к нулю. Таким образом, нагрев
металлических конструкций во время
пожаров крайне опасен, приводит к
быстрым деформациям конструкций и
их разрушению.
U. ГРУППЫ И МАРКИ
СТРОИТЕЛЬНЫХ СТАЛЕЙ
Металлические конструкции выпол-
няются из сталей различных марок.
Основным требованием, предъявляе-
мым к строительным сталям, помимо
достаточной их прочности и пластич-
ности является хорошая сваривае-
мость.
В зависимости от прочностных ха-
рактеристик и химического состава
строительные стали могут быть раз-
делены на три группы:
XT? Малоуглеродистые стали обыкно-
венного качества (обычной прочности)
с пределом текучести до 285 МПа и
содержанием углерода до 0,22 %.
2. Низколегированные стали повы-
шенной прочности с пределом теку-
чести 265—390 МПа.
3. Низколегированные стали высо-
кой прочности с шэеделом текучести
440 МПа и выше^/
Помимо разделения на группы и
марки, строительные стали различа-
ются по способу выплавки и раскис-
ления, химическому составу и свари-
ваемости^/
ЛДля выплавки стали в СССР наи-
более распространены мартеновский и
конвертерные процессы. После того
как сталь выплавлена, она разливает-
ся сначала в ковши, а потом в излож-
ницы (в настоящее время вводится
способ непрерывного литья). Затем
происходит быстрое остывание и кри-
сталлизация металла с выделением
большого количества газов и неметал-
лических включений, что ухудшает ка-
чество стали и делает ее крупнозер-
нистой. Такая сталь называется кипя-
щей (обозначается индексом кп). Из-
за более низкого качества и высокой
хрупкости применение кипящей стали
в металлических конструкциях огра-
ничено. )
^Лучшей сталью является спокойная
сталь (сп), остывание которой за
счет добавки в сталь раскислителей
(кремния, алюминия, марганца), свя-
зывающих кислород, происходит спо-
койно, без его бурного выделения
(кипения). Сталь получается мелко-
зернистой и более высокого качества,
хатя и более дорогостоящей.^/
/Полуспокойные стали (пс), не пол-
ностью раскисленные, по качеству и
стоимости занимают промежуточное
положение между спокойными и ки-
пящими^/
Малоуглеродистые стали обыкновен-
ного качества выпускаются спокойны-
ми, полуспокойными и кипящими; низ-
колегированные повышенной и высо-
кой прочности — В ОСНОВНОМ CnOKOff-
ными (отдельные марки полуспокой-
ными).
16
Свариваемость сталей зависит от
рйда причин, в первую очередь от ко-
личества содержания в стали углеро-
да. Чем больше углерода, тем сталь
сваривается хуже, и наоборот. Лучше
всего свариваются мягкие малоуглеро-
дистые стали. С увеличением прочно-
сти стали сварка усложняется (напри-
мер, стали высокой прочности требуют
применения специальной сварочной
технологии).
Свариваемые углеродистые стали
находят наибольшее применение для
металлических конструкций. Рекомен-
дуются следующие марки, выпускае-
мые:
по ГОСТ 23570—79 — стали 18 и
18Г (цифра 18 означает среднее со-
держание углерода в сотых долях про-
цента, буква Г — повышенное содер-
жание марганца). Указанные стали хо-
рошо свариваются и в зависимости от
марки и толщины имеют пределы те-
кучести От 216 — 235 МПа, нижние
пределы временного сопротивления ов
363—392 МПа и относительное удли-
нение 65 = 24—26 %;
по ТУ 14-1-3023-80— стали СтЗ и
СтЗГ, имеют От до 285 МПа, нижний
предел Ов от 345 МПа и относитель-
ное удлинение 65 = 22—25 %. Все ука-
занные выше углеродистые стали мо-
гут поставляться кипящими, полуспо-
койными и спокойными.
Стали, выплавляемые по ТУ 14-1-
3023-80, разделяются на следующие
марки: Ст1, Ст2, СтЗ, Ст4 и Ст5, а так-
же СтЗГ и Ст5Г. С возрастанием но-
мера марки прочность стали за счет
увеличения процента содержания уг-
лерода повышается, однако сваривае-
мость их при этом ухудшается. Для
сварных металлических конструкций
лв основном используются стали СтЗ и
СтЗГ, обладающие относительно ма-
лым содержанием углерода (менее
0,22 %) и кремния (менее 0,3 %), до-
статочной прочностью, хорошей пла-
стичностью и свариваемостью.
В зависимости от назначения угле-
родистые стали по ТУ 14-1-3023-80
поставляются по трем группам: группа
А — с гарантией по механическим
свойствам; группа Б — с гарантией по
химическому составу и группа В —
с гарантией по механическим свойст-
вам и химическому составу. Так как
для сварных металлических кон-
струкций стали должны обладать га-
рантированными механическими свой-
ствами и химическим составом, то их
заказывают и поставляют только по
группе В (буква В пишется до наиме-
нования марки). Помимо этого, в за-
висимости от различных требований к
качеству сталей при поставке их под-
разделяют на 6 категорий, номера
которых указываются после наимено-
вания марки.
По ТУ стали делятся для каждой
марки на две группы прочности (диф-
ференцированный прокат). Группа
прочности указывается после полного
наименования марки и пишется через
тире. Стали второй группы прочнее.
Таким образом, полное обозначение
стали СтЗ, например при заказе спо-
койной стали по группе поставки В,
категории 5, с группой прочности 2,
будет ВСтЗсп5-2. Обозначение полу-
спокойной стали СтЗГ, поставляемой
по группе В, категории 5 с группой
прочности 1, будет ВСтЗГпс5-1 и т. д.
В крайнем случае вместо получе-
ния сталей ВСтЗ и ВСтЗГ по ТУ 14-1-
3023-80 возможна их выплавка и
по ГОСТ 380—71, что, однако, неже-
лательно, так как ГОСТ не предус-
матривает деления сталей на группы
прочности, и механические характери-
стики этих сталей ниже, чем постав-
ляемых по ТУ. В отдельных случаях
может использоваться и термически
упрочненная углеродистая сталь с пре-
делом текучести 295 МПа марки
ВСтТпс, выпускаемая по ГОСТ
14637—79.
Низколегированные стали повышен-
ной прочности. Отечественная метал-
17
лургическая промышленность выпус-
кает низколегированные стали повы-
шенной прочности. Эти стали имеют
более высокие механические характе-
ристики, чем углеродистые стали 18
и СтЗ, что достигается добавлением
в металл легирующих элементов: хро-
ма, марганца, кремния, никеля, меди,
молибдена, ванадия и др.
Обозначение марок сталей состоит
из букв русского алфавита, показыва-
ющих, какие легирующие добавки при-
менены в данной марке стали (X—
хром, Г—марганец, Н — никель, С —
кремний, Ф — ванадий, М — молиб-
ден), и цифр, указывающих процент-
ное содержание элементов. При этом
первые две цифры в марках сталей
показывают содержание углерода в
сотых долях процента.
Наиболее употребительны следу-
ющие марки низколегированных ста-
лей повышенной прочности: с пределом
текучести до 355 МПа — 09Г2, 09Г2С,
10Г2С1, 14Г2, 15ХСНД; с пределом
текучести до 395 МПа—15Г2СФ,
10ХСНД, 10Г2СФт/о (термически об-
работанная), 14Г2АФ и 15Г2АФДпс.
Использование сталей 15ХСНД и
10ХСНД, имеющих дефицитные добав-
ки (никель и медь), должно быть в
каждом случае обосновано.
Указанные стали легко обрабатыва-
ются, характеризуются хорошей пла-
стичностью, малой склонностью к
хрупкому разрушению (повышенной
ударной вязкостью), удовлетворитель-
ной свариваемостью. Эти качества
дают возможность использовать низко-
легированные стали в различных не-
сущих металлических конструкциях
жилых и общественных зданий и про-
мышленных сооружений и получать
снижение массы конструкций до 15%.
Однако стоимость конструкций при
этом обычно не уменьшается.
Специально-легированные стали вы-
сокой прочности. Повышение прочно-
сти строительных сталей обычным ле-
гированием ограничивается возмож-
18
ностью получения металла с макси-
мальным пределом текучести около
395 МПа. Однако современное разви-
тие и масштабы изготовления сварных
металлических конструкций требуют
применения сталей высокой прочности
с пределом текучести 440—890 МПа.
Производство таких сталей сводится к
получению металла с мелкозернистой
структурой специальным легированием
и термической обработкой готового
проката. Способы получения высоко-
прочного металла различны. В Совет-
ском Союзе широко распространены
стали с так называемым карбонитрид-
ным упрочнением, термически упроч-
ненные специально легированные ста-
ли с пределом текучести 590 МПа
и др.
Стали высокой прочности отлича-
ются повышенной стойкостью против
хрупкого разрушения, обладают высо-
кими значениями ударной вязкости,
низким порогом хладноломкости, до-
статочной пластичностью.
Для строительных металлических
конструкций рекомендуются следу-
ющие марки: с пределом текучести
440 МПа — 16Г2АФ, 18Г2АФпс,
15Г2СФ т/о; с пределом текучести
590 МПа —12Г2СМФ, 12ГН2СФАЮ,
14Х2ГМР.
1.3. ВЫБОР СТАЛЕЙ
ДЛЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ
Правильный выбор сталей позволя-
ет получать надежные в эксплуата-
ции и экономичные конструкции.
При выборе марки стали необходимо
исходить из следующих основных по-
ложений:
1. В первую очередь на выбор той
или иной марки стали оказывают вли-
яние характер силовых воздействий,
назначение и масштабы сооружения
(высота зданий, число этажей, пере-
крываемый пролет и др.). Так, в ма-
лоэтажных зданиях средних размеров
при воздействии обычных для такого
класса сооружений нагрузок наиболее
рациональны свариваемые углероди-
стые стали обычной прочности (марки
18, ВСтЗ, ВСтЗГпс), хотя для наибо-
лее нагруженных элементов, например
колонн, могут быть использованы низ-
колегированные стали повышенной
прочности (марки 09Г2, 09Г2С, 14Г2).
В каркасах зданий повышенной
этажности и при перекрытии значи-
тельных пролетов рационально шире
применять низколегированные стали,
а в высотных зданиях и сооружениях
эффективнее использовать стали вы-
сокой прочности, например марки
16Г2АФ.
2. Принимая конкретную марку ста-
ли, необходимо указывать ГОСТ или
ТУ, по которым эта сталь должна
быть выплавлена. Это требование объ-
ясняется двумя причинами: во-первых,
одна и та же марка стали, выплав-
ленная по разным ГОСТам и ТУ,
может обладать различными механи-
ческими характеристиками; во-вторых,
коэффициенты надежности по матери-
алу ут назначаются, как правило, в
зависимости от ГОСТа или ТУ на
сталь, а не от марки стали.
3. Выбор марки сталей зависит от
степени ответственности конструкции
и условий ее эксплуатации. По этим
признакам все металлические кон-
струкции делят на четыре группы.
К первой группе относят сварные
конструкции и их отдельные элементы,
работающие в особо тяжелых услови-
ях, подвергающиеся непосредственно-
му воздействию динамических, вибра-
ционных или подвижных нагрузок.
Металлические конструкции, приме-
няемые в городском строительстве, в
эту группу входят редко.
Металлические конструкции зда-
ний жилого, производственного и об-
щественного назначения (кроме под-
крановых балок), башни, мачты и дру-
гие городские инженерные сооруже-
ния, работающие при статических
нагрузках, относят ко второй и треть-
ей группам конструкций. Во вторую
группу входят фермы зданий, ригели
рам, балки перекрытий и покрытий,
косоуры лестниц; в третью — колонны
зданий, стойки, опорные плиты, кон-
струкции, поддерживающие технологи-
ческое оборудование. Вспомогатель-
ные конструкции, например связи,
элементы фахверка, лестницы, ограж-
дения, относят к четвертой группе.
4. Территория СССР в зависимости
от температуры наружного воздуха и
других показателей разбита на 14 кли-
матических районов (ГОСТ 16350—80
«Климат СССР. Районирование и
статистические параметры климати-
ческих факторов для технических це-
лей»). Так как наиболее опасно хруп-
кое разрушение сталей, чаще всего
происходящее при . низких температу-
рах, то СНиП 11-23-81 предусматрива-
ет объединение климатических районов
в три группы. В первую группу вклю-
чены районы с умеренным климатом
и наиболее низкой температурой минус
40 °C, во вторую — с холодным клима-
том и температурой минус 50 °C и в
третью — очень холодные, арктические
с температурой минус 65 °C.
Окончательно выбирают марку ста-
ли для проектируемого сооружения с
учетом всех вышеперечисленных по-
ложений.
Полный перечень рекомендуемых
сталей дан в прил. 1 табл. 50 СНиП
11-23-81.
1.4. СОРТАМЕНТ СТАЛИ
Первичные элементы, из которых
образуются несущие и ограждающие
металлические конструкции зданий и
сооружений,— профильная и листовая
стали, вырабатываемые на металлур-
гических заводах. Каталог (перечень)
первичных элементов — прокатных
профилей с указанием размеров, гео-
метрических характеристик сечений и
массы 1 м — называется сортаментом.
1S*-
Для стальных конструкций в насто-
ящее время применяются два способа
получения первичных элементов —
профилей сортамента: горячей прокат-
кой на прокатных станах и холодной
прокаткой (гнутьем) тонких стальных
листов (гнутые профили).
Наиболее распространены горячека-
таные профили.
В России первый сортамент сталь-
ных элементов был разработан в
1900 г. под руководством профессора
Н. А. Белелюбского. Пересматривался
и совершенствовался сортамент в 1930,
1932, 1939 и 1957 гг. Основное отличие
сортамента 1957 г.— переход на тон-
костенные и укрупненные профили.
Совершенствование сортамента про-
должается.
Горячекатаные стальные профили.
Уголковые профили выпускаются двух
типов: равнополочные уголки и нерав-
нополочные уголки с соотношением
сторон 1 : 1,6. Обозначаются по разме-
рам полок Ь и их толщинам t в мм,
например равнополочный уголок
L 100X10 или неравнополочный уго-
лок L 250x160x20. Широко приме-
няются как для основных элементов
ферм и связей, так и в качестве кон-
структивных и связующих деталей.
Выпускаются с размерами: равнопо-
лочных уголков от L 45X4 до [_ 250X
ХЗО, неравнополочных уголков от
L 56X36X4 до L 250X160X20
(Прил. 4, 5).
В несущих стальных конструкциях
минимальные профили уголков для
рабочих элементов должны быть не
менее L 50x5 или L 63X40X5. Не-
которые примеры использования угол-
кового проката даны на рис. 1.4.
г
Риз 1.4 Некоторые примеры использования уголков:
« — расположение тавром^ б — расположение двух уголков крестом; ₽ —расположение четырех уголков крестам
в клепаных конструкциях! г — крепление балки к колонне с помощью уголков; д — соединение двух листов
20
Двутавры с уклоном внутренних
граней полок (ГОСТ 8239—72) приме-
няется главным образом в качестве
элементов, работающих на изгиб, чем
и обусловливается их форма. Обозна-
чаются в сортаменте по номерам» соот-
ветствующим высоте профиля в сан-
тиметрах (Прил. 1).
Двутавры с параллельными граня-
ми полок (ГОСТ 26020—83) подразде-
ляются на нормальные—балочные (Б),
широкополочные (Ш), колонные (К)
и колонные уширенные (КУ).
Двутавры Б (Прил. 2) выпускаются
высотой до 1000 мм, с шириной полок
до 320 мм; двутавры Ш имеют высоту
также до 1000 мм при максимальной
ширине полок 400 мм; двутавры К,
использование которых эффективно в
колоннах зданий, имеют соотношение
высоты к ширине полок 1 :1 и макси-
мальные размеры 400X400 мм; дву-
тавры КУ имеют полки большего раз-
мера, чем высота профиля.
Применение широкополочных дву-
тавров очень эффективно, так как они
могут заменять дорогостоящие трудо-
емкие сварные составные сечения.
Тавры с параллельными гранями
полок (ГОСТ 26020—83) подразделяют-
ся на нормальные тавры — БТ, широ-
кополочные — ШТ и колонные — КТ.
Рациональны для применения в основ-
ном в поясах ферм и сварных подкра-
новых балок, а также в качестве ребер
жесткости.
Большим преимуществом швеллеров
является наличие свободной стенки,
позволяющей беспрепятственно кре-
пить их к другим элементам (рис. 1.5).
Это дает возможность использовать
швеллеры не только в качестве изги-
баемых элементов, но и элементов,
воспринимающих осевые силы (стерж-
ни ферм, колонн). Так же, как и дву-
тавры, обозначаются номерами, со-
ответствующими высоте стенки швел-
лера в см, и выпускаются от № 5 до
№ 40 (Прил. 3). Некоторые примеры
Рис. 1.5. Некоторые примеры применения дву-
тавров, тавров, швеллеров
применения двутавров и швеллеров
приведены на рис. 1.5.
Широко применяется в металличе-
ских конструкциях листовая сталь. Из
нее выполняют самые различные про-
фили и элементы конструкций, а не-
которые виды конструкций, например
тонкостенные оболочки, целиком изго-
тавливают из листовой стали. В на-
стоящее время, особенно в связи с
использованием высокопрочного ме-
талла, применение листовой стали воз-
растает и в среднем достигает до 60 %
массы конструкций. Листовая сталь
выпускается: по ГОСТ 19903—74 тол-
столистовая толщиной до 160 мм,
шириной 600—3800 мм; по ГОСТ
103—76 полосовая толщиной 4—60 мм
и шириной полос 12—200 мм; по ГОСТ
82—70 универсальная, имеющая про-
катные кромки, что очень удобно для
применения. Толщина листрв 6—60 мм,
ширина— 160—1050 мм (Прил. 6).
Применение стальных круглых труб
в качестве несущих элементов метал-
локонструкций рационально, хотя и
связано с некоторыми конструктивны-
ми трудностями. Круглые трубы вы-
пускаются двух типов: стальные бес-
шовные горячекатаные диаметром 25—
550 мм, с толщиной стенки 3,5—75 мм
и стальные электросварные диаметром
до 1620 мм, с толщиной стенки 1—
16 мм.
В металлических конструкциях так-
же применяется рифленая листовая
(рис. 1.6, а) и просечно-вытяжная сталь
для настилов площадок и лестниц;
волнистая сталь — для холодной кров-
21
a
Рис. 1.6. Листовые профили:
о — рифленая сталь; б — волнистая сталь; 1 — рифы
ли (рис. 1.6, б); специальные профи-
ли— для оконных металлических пе-
реплетов (витражей); круглая сталь—
для элементов связей; квадратная
сталь; стальные канаты, стальная вы-
сокопрочная углеродистая проволока.
Гнутые стальные профили. Гнутые
профили применяются в легких кон-
струкциях и в элементах, требующих
большей жесткости при сравнительно
небольших действующих усилиях. Гну-
тые профили могут дать экономию ме-
талла до 15%. Изготавливаются из
тонких листов или полос гнутьем на
специальных гибочных машинах. Яв-
ляются профилями постоянной толщи-
ны, зависящей от принятой толщины
листа-заготовки (рис. 1.7).
Равнополочные и неравнополочные
уголки изготавливаются с толщиной
полок до 6 мм (ГОСТ 19771—74 и
различные ТУ). Равнополочные швел-
леры, являющиеся наиболее массовым
видом холодногнутых профилей (ГОСТ
8278—83 и различные ТУ), имеют вы-
соту до 380 мм, ширину црлок до
160 мм и толщину 2,5—8 мм. Выпус-
каются также равнополочные С-образ-
ные профили (ГОСТ 8282—83 и раз-
личные ТУ), равнополочные корытные
профили (ГОСТ 8283—77 и ТУ), рав-
нополочные зетовые профили, зам-
кнутые прямоугольные профили без
замыкающего сварного шва, который
выполняется на заводах-потребителях
профилей, и замкнутые сварные про-
Рис.. 1.7. Гнутые профили:
а — уголки; б — швеллеры; в — С-образные профили;
г— замкнутые профили
фили квадратного и прямоугольного
сечения из заготовок шириной 100—
600 мм и толщиной 2—8 мм. Наиболь-
шая высота квадратного профиля
160 мм, прямоугольного — 180 мм.
Широкое применение в строитель-
стве должны найти гнутые тонкостен-
ные гофрированные профили, имеющие
ребра или волны, а также перфориро-
ванные гнутые профили, позволяющие
снизить затраты металла в конструк-
циях в среднем на 18—20 %.
1.5. ЛЕГКИЕ АЛЮМИНИЕВЫЕ
СПЛАВЫ
Легкие алюминиевые сплавы в стро-
ительстве начали использовать еще
в 1930 г. Они в 3 раза легче стали при
почти одинаковой прочности. Ввод в
строй новых производственных мощно-
стей по изготовлению алюминия поз-
волит расширить области применения
алюминиевых конструкций в строи-
тельстве.
В настоящее время алюминиевые
сплавы целесообразнее применять в
различных ограждающих конструкци-
ях — кровлях и стенах, что позволяет
22
значительно уменьшить нагрузки на
каркасы зданий; в большепролетных
покрытиях, в которых их собственный
вес является основной нагрузкой; в
городских высотных и транспортных
сооружениях, строящихся в стесненных
условиях и требующих при монтаже
наиболее легких конструкций. Эффек-
тивно использовать алюминиевые кон-
струкции в различных передвижных
конструкциях (например, в кранах),
в сборно-разборных зданиях многора-
зового применения. И наконец, алю-
миний применяют для отделки зда-
ний общественного назначения.
Алюминиевые сплавы получают вве-
дением легирующих добавок: меди,
магния, марганца, кремния и др.
Чистый алюминий в несущих строи-
тельных конструкциях применять
нельзя, так как его механические свой-
ства очень низкие: <тв = 75—90 МПа;
От = 30—40 МПа; модуль упругости
Е = 71000 МПа против 2,1 -105 МПа у
стали. Плотность алюминия составляет
2,6—2,8 т/м3. Чистый алюминий весьма
пластичен, относительное удлинение
при разрыве 40—60 %.
Добавка легирующих компонентов
позволяет приблизить прочность спла-
вов к прочности углеродистых сталей,
дополнительно можно повысить проч-
ность сплавов в 1,3—1,5 раза терми-
ческой обработкой.
Алюминиевые сплавы делятся на
литейные, применяемые в машино-
строении, и деформируемые, применяе-
мые в строительстве, которые в свою
очередь бывают термически упрочнен-
ными и термически неупрочненными.
Обозначения алюминиевых сплавов,
входящие в наименование марки, в
зависимости от видов обработки сле-
дующие: отожженные (мягкие) спла-
вы — М; полунагартованные — П; на-
гартованные—Н; закаленные и есте-
ственно состаренные — Т; закаленные
и искусственно состаренные — Т1.
Различают следующие системы алю-
миниевых сплавов: АМг — алюми-
ниево-магниевые сплавы; АМц—алю-
миниево-марганцевые сплавы; АВ
(авиаль) и АД — алюминиево-магни-
ево-кремниевые сплавы; Д1, Д16 —
дюралюмины, содержащие алюминий,
магний, медь; В — высокопрочные
сплавы (В65, В92), содержащие маг-
ний, медь и цинк; многокомпонентные
сплавы 1925 и 1915.
СНиП П-24-74 «Алюминиевые кон-
струкции» для строительных целей ре-
комендует марки сплавов и состояние
их поставки.
Сплавы АМг2М, АМг2П и АМц2М
термически неупрочненные имеют срав-
нительно небольшую прочность. Ос-
тальные сплавы термически упрочня-
ются и поэтому обладают более высо-
кими механическими свойствами. Од-
нако вследствие того что при их свар-
ке в околошовной зоне возможно
разупрочнение и прочность сварных
соединений оказывается ниже прочно-
сти основного металла, соединять эле-
менты из термически упрочненных
сплавов рекомендуется не только свар-
кой, но также на болтах и заклепках.
Термически упрочненные сплавы по
прочности близки к углеродистым и
низколегированным сталям.
Диаграмма растяжения алюминие-
вых сплавов не имеет площадки теку-
чести, и за условный предел текучести
пог принимаются напряжения, соот-
ветствующие остаточным деформаци-
ям 0,2 % (рис. 1.8).
На прочность алюминиевых сплавов
значительное влияние оказывает тем-
пература. Так, уже при 100 °C механи-
ческие свойства снижаются, а при
200 °C и выше появляется ползучесть.
Отрицательные температуры, наоборот,
улучшают механические характеристи-
ки. Ударная вязкость при понижении
температуры практически остается без
изменения, а при нормальной темпе-
ратуре ниже, чем у сталей, и состав-
ляет около 30 Дж/см2.
Марку алюминиевого сплава для
конструкций выбирают в соответствии
23
б, МПа
400
300
200
100
о ю го еу.
Рис. 1.8. Диаграммы растяжения алюминиевых
сплавов:
1 — чистый алюминий; 2 — сплав марки АМ6; 3 —
сплав АВТ-1; 4 — сплав Д16Т; 5 — сталь СтЗ
с рекомендациями прил. 1 СНиП
П-24- 74. Конструкции в зависимости
от их назначения и условий эксплуата-
ции разделены на четыре группы:
1. Ограждающие конструкции — окон-
ные и дверные заполнения, подвесные
потолки, перегородки, витражи и др.
Для них рекомендуются марки: АД1М,
АМцМ, АД31Т, АМг2М, АМг2П,
АД31Т1, обладающие высокой корро-
зионной стойкостью. 2. Ограждающие
конструкции — кровельные и стеновые
панели, блоки покрытий и др. Для
этих конструкций рекомендуются мар-
ки: АМц2М, АМг2П, АД31Т, АД31Т1,
1915Т, обладающие средней коррози-
онной стойкостью. 3. Несущие сварные
конструкции — фермы, колонны, про-
гоны покрытий, пространственные ре-
шетчатые покрытия, покрытия больших
пролетов, сборно-разборные каркасы
зданий и др. Для этой группы приме-
няются те же марки сплавов, что и
для группы 2. 4. Клепаные конструк-
ции, относящиеся к группе 3, а также
элементы, не имеющие сварных соеди-
нений. Для этой группы рекоменду-
ются марки сплавов: АМг2П, АД31Т,
АД31Т1, 1925Т и 1915Т.
Глава 1|. НАГРУЗКИ И МЕТОДЫ РАСЧЕТА
11.1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
ВЫБОРА РАСЧЕТНЫХ
И КОНСТРУКТИВНЫХ СХЕМ
При проектировании металлических
конструкций зданий и сооружений
к ним предъявляются три группы
требований: 1) соответствие функци-
ональному назначению; 2) «требования,
обеспечивающие надежную работу
конструкций,— прочность, устойчи-
вость, жесткость, пространственную
неизменяемость, долговечность; 3) эко-
номические и технологические требо-
вания, обеспечивающие создание кон-
струкций с минимальными затратами
металла, трудоемкостью изготовления
и стоимостью, а также конструкций,
удобных для транспортирования и до-
пускающих крупноблочный и скоро-
стной монтаж.
Обеспечение этих требований в зна-
чительной мере определяется правиль-
ным выбором конструктивной и рас-
четной схем сооружения. Выбор
конструктивной схемы заключается
в назначении генеральных размеров
сооружения, типов конструктивных
элементов и их сопряжений. Расчет-
ную схему получают путем идеализа-
ции конструктивной. Одна и та же
конструктивная схема может иметь
разные расчетные схемы в зависимо-
сти от требуемой точности расчета или
его трудоемкости.
Нужно стремиться применять прост-
ранственные схемы, в которых вовле-
каются в работу все элементы. Наибо-
лее рациональны такие схемы, кото-
рые позволяют совмещать несущие
и ограждающие функции, использо-
вать тонкостенные листовые конструк-
ции и оболочки, висячие системы,
а также предварительно напряженные
конструкции.
24
Если при расчете конструкция раз-
бивается на плоские схемы, а не рас-
считывается как пространственная, то
необходимо, по возможности, учиты-
вать взаимодействие элементов между
собой. Как принятые расчетные схемы,
так и основные предпосылки расчета
должны отражать действительную
работу сооружения под нагрузкой.
СНиП П-23-81 «Стальные конструк-
ции» рекомендует расчет металличе-
ских конструкций производить с уче-
том пластических деформаций сталей,
что позволяет полнее использовать их
прочностные свойства.
При подборе сечений необходимо
применять наиболее экономичные про-
фили проката и эффективные марки
сталей. При этом элементы стальных
конструкций должны иметь минималь-
ные площади сечений, что обеспечит
экономное расходование сталей и
алюминиевых сплавов.
Проектирование должно в макси-
мальной степени ориентироваться на
применение ЭВМ.
11.1 НАГРУЗКИ И ИХ СОЧЕТАНИЯ
На здания и сооружения действуют
различные нагрузки, которые в соот-
ветствии со СНиП П-6-74 «Нагрузки
и воздействия» делятся на четыре
группы:
1. Нагрузки технологические — от
веса людей в жилых и общественных
зданиях; от оборудования и кранов
в промышленных зданиях; от подвиж-
ного состава на мостах и т. д.
2. Нагрузки атмосферные — от сне-
га, ветра, изменений температуры.
3. Нагрузки от собственного веса
несущие и ограждающих строительных
конструкций.
4. Нагрузки особые — сейсмические
и взрывные воздействия, воздействия
от просадки грунтов над горными вы-
работками, воздействия, вызываемые
резким нарушением технологического
процесса.
На эти нагрузки и их сочетания
должны рассчитываться несущие и ог-
раждающие конструкции зданий и со-
оружений.
В зависимости от длительности дей-
ствия нагрузки разделяются на
постоянные — собственный вес кон-
струкций; временные длительные —
нагрузки на перекрытиях- складов,
библиотек, вес стационарного оборудо-
вания, вес жидкостей и сыпучих тел
в емкостях и т. д.; кратковременные —
нагрузки от веса людей,, кранов, сне-
говые и ветровые нагрузки; особые —
сейсмические, от просадки оснований.
На сооружения, как правило, дей-
ствует несколько нагрузок. Так как
одновременное воздействие всех мак-
симальных нагрузок маловероятно, то
СНиП П-6-74 предусматривает: основ-
ное сочетание нагрузок, в которое
входят постоянные, временные, дли-
тельные и кратковременные нагрузки;
особое сочетание, в котором учитыва-
ются постоянные, временные длитель-
ные, возможные кратковременные и
одна из особых нагрузок.
Если в основное сочетание входит
одна кратковременная нагрузка, то ее
значение не уменьшается. Если число
кратковременных нагрузок больше
одной, то их принимают с коэффици-
ентом сочетания пс = 0,9. В особом
сочетании кратковременные нагрузки
умножаются на коэффициент сочета-
ния Нс = 0,8. Это позволяет при рас-
чете избежать излишнего утяжеления
конструкций.
11.3. МЕТОД РАСЧЕТА
ПО ПРЕДЕЛЬНЫМ СОСТОЯНИЯМ
f Основной метод расчета строитель-
' ных конструкций — метод предельных
состояний, разработанный советскими
учеными и введенный в практику как
обязательный в 1955 г. взамен метода
расчета по допускаемым напряжениям.
Предельным называют такое со-
стояние конструкции, при котором
25
она перестаем удовлетворять предъяв-
ляемым к ней требованиям и стано-
вится непригодной к дальнейшей
эксплуатации.
В задачу расчета конструкций вхо-
дит недопущение любых предельных
состояний в течение всего срока
эксплуатации зданий и сооружений,
в том числе и при их возведении.
Выполнение такого условия достига-
ется тем, что при расчете конструк-
ций учитываются: 1) наиболее небла-
гоприятные нагрузки; 2) неблаго-
приятные механические характеристи-
ки материалов; 3) возможные откло-
нения от предусмотренных условий
работы, не отраженные непосредст^
венно в расчетах.
Учет неблагоприятных нагрузок.
Вероятные нагрузки, действующие на
строительные конструкции, устанав-
ливаются нормами для предусматри-
ваемых (нормальных) условий эксплу-
атации. Такие нагрузки называют
нормативными. Они обозначаются ин-
дексом «л» — Fn, qn и т. д.
Поскольку нагрузки имеют природу
случайных величин, то в течение срока
службы конструкции из-за их измен-
чивости или отступлений от нормаль-
ной эксплуатации возможны отклоне-
ния нагрузок от нормативных в боль-
шую или меньшую сторону. Эти
отклонения учитываются в расчете
коэффициентами надежности по на-
грузке yf. Нормативные нагрузки,
умноженные на коэффициенты надеж-
ности по нагрузке, называются рас-
четными, При их обозначении индекс
«п» опускается: F = Fnyf\ q = qnyf.
Коэффициенты yf учитывают наибо-
лее неблагоприятное для конструкции
действие нагрузок. Их принимают
большими или меньшими единицы,
и они тем больше отличаются от еди-
ницы, чем больше изменчивость на-
грузок. Некоторые значения коэффи-
циентов надежности по нагрузке
приводятся ниже:
26
। ; Нагрузка
Вес металли^скюс кднструкций 1,05
Вес изоляционных, выравнивающих ': и
отделочных слоев (плиты, скорлупы, мате-
риалы в рулонах, засыпки, стяжки), вы-
полняемых
в заводских условиях 1,2
на стройплощадке 1,3
Собственный вес оборудования 1,2
Равномерно распределенные нагрузки на
перекрытия
при нормативной нагрузке менее 2 кН/м2 1,3
то же, 2 кН/м2 и более 1,2
Снеговая нагрузка при <?/р0=1и более 1,4
<?/ро = 0,8 1,5
q/Po = 0,4 и менее 1,6
(q — собственный вес покрытия; р0 —
нормативный вес снегового покрова)
Ветровая нагрузка
на здания 1,2
на высокие сооружения 1,3
(если в нормах на ^^проектирование этих
сооружений не приводятся другие значе-
Учет неблагоприятных механических
характеристик материалов. Прочность
каждой марки стали устанавлива-
ется нормами на основании испыта-
ний на разрыв большого числа стан-
дартных образцов, вырезанных из
партии проката. Показателями проч-
ности стали в зависимости от того,
ограничивается работа материала
упругой стадией или допускаются
пластические деформации, служат
предел текучести от или временное
сопротивление сгв (см. §1.1). В качест-
ве нормативных значений предела
текучести или временного сопротивле-
ния стали принимают наименьшие
значения, полученные при испытаниях
и обеспеченные с вероятностью 0,95
(т. е. в пяти случаях из ста проч-
ность проката допускается меньшей,
чем нормативная прочность). Полу-
ченные характеристики прочности
называют нормативными сопротивле-
ниями, установленными по пределу
текучести Ryn или по временному со-
противлению Run.
При расчете конструкций норма-
тивные сопротивления несколько
уменьшают делением на коэффициен-
ты надежности по материалу ут, боль-
шие единицы. Нормативные сопро-
тивления, деленные на ^ЭффициенШ
7m, называются расчетными сопротив-
лениями:
Ry = Rynl^tn И Ru^Run^m’ (II.1)
Различные виды расчетных сопротив-
лений, применяемые при расчетах
стальных конструкций, приведены
в § II.5.
Учет возможных отклонений от пре-
дусмотренных условий работы конст-
рукции и особенностей работы, не от-
раженных непосредственно в расчетах,
осуществляется понижением (а иног-
да и повышением) расчетных сопро-
тивлений путем их умножения на ко-
эффициенты условий работы ус. Зна-
чения коэффициентов приведены
в табл. 6 СНиП 11-23-81. Некоторые из
этих значений приведены ниже:
Элементы конструкций
Сплошные балки и сжатые элементы ферм 0,9
перекрытий под залами театров, клубов,
* кинотеатров, под трибунами, помещени-
ями магазинов и т. п.
4 Колонны общественных зданий и опор 0,95
водонапорных башен
Сжатые основные элементы (кроме опор- 0,8
ных) решетки составного таврового сече-
ния из уголков сварных ферм покрытий
и перекрытий при гибкости л > 60
Сплошные балки при расчетах на общую 0,95
устойчивость
Затяжки, тяги, оттяжки, подвески, вы- 0,9
полненные, из прокатной стали
Элементы стержневых конструкций по-
крытий и перекрытий
сжатые (за исключением замкнутых 0,95
трубчатого сечения) при расчетах на
устойчивость; растянутые в сварных
конструкциях
Сжатые элементы из одиночных уголков, 0,75
прикрепляемые одной полкой, за исключе-
нием плоских ферм из одиночных уголков
Канатные элементы пространственных ви-
сячих и вантовых покрытий 1,0
Оттяжки мачт 0,8—
0,95
Ветровые пояса, затяжки, оттяжки и дру- 1,05
гие канатные элементы, предварительно
напрягаемые усилиями, превышающими
усилия от внешних нагрузок
Кроме того, учитывают степень от-
ветственности и капитальности зданий
и сооружений, для чего расчетные со-
противления делят (либо значения на-
грузок или усилий умножают) нэ ко-
эффициенты надежности по назна-
чению конструкций уЛ. Коэффициенты
принимаются большими или рав-
ными единице для объектов, имеющих
особо важное народнохозяйственное
или социальное значение. Для объек-
тов, имеющих важное или ограничен-
ное значение, коэффициенты уп при-
нимаются меньшими единицы.
Категории зданий и сооружений
1. Железнодорожные, пешеходные, авто- 1,1
дорожные мосты на дорогах I и II кате-
горий, городские мосты с количеством
полос движения 4 и более, трубопровод-
ные мосты повышенной ответственности
2. Здания и сооружения, имеющие особо 1,0
важное народнохозяйственное значение
(кроме указанных в п. 1); здания,
эксплуатация которых связана с нали-
чием в них большого количества лю-
дей; автодорожные, городские и трубо-
проводные мосты, кроме указанных
в п. 1; антенно-мачтовые сооружения
повышенной ответственности
3. Здания и сооружения, имеющие важ- 0,95
ное народнохозяйственное значение
(кроме указанных в пп. 1 и 2); антен-
но-мачтовые сооружения (кроме ука-
занных в п. 2); временные мосты
4. Здания и сооружения, имеющие огра- 0,9
ниченное народнохозяйственное зна-
чение; здания, эксплуатация которых
не связана с постоянным наличием
в них людей; временные здания и со-
оружения со сроком службы более
5 лет (кроме указанных в п. 3)
5. Временные здания и сооружения со 0,85
сроком службы менее 5 лет (кроме
указанных в п. 3)
Таким образом, коэффициенты
и дают возможность получать для
одной и той же стали разные предель-
ные напряжения RyfJln, которые
допускаются в конструкции или ее
элементах в зависимости от их на-
значения и условий работы.
Предельные состояния строитель-
ных конструкций подразделяются на
две группы.
I группа включает два расчетных
случая. Первый — по потере несущей
27
способности — объединяет предельные
состояния, возникающие при разруше-
ниях любого характера, потере устой-
чивости формы или устойчивости по-
ложения; второй — по полной непри-
годности к эксплуатации в результате
текучести материала, сдвигов в со-
единениях и т. п.
II группа: по непригодности к нор-
мальной эксплуатации или снижению
долговечности сооружения вследствие
недопустимых деформаций (прогибов,
осадок, углов поворота), колебаний,
образования или раскрытия трещин.
Расчет по I группе предельных со-
стояний. Так как наступление какого-
либо из предельных состояний этой
группы недопустимо, то расчет заклю-
чается в том, чтобы несущая способ-
ность конструкций и их элементов
всегда превышала возможные наи-
большие усилия, которые могут в них
возникнуть. Это условие записывается
в виде предельного неравенства
Smax < Ф. (П.2)
Усилие Smax (изгибающий момент,
продольная сила) выбирается при наи-
более неблагоприятном сочетании по-
стоянных и временных нагрузок. Что-
бы это усилие оказалось предельным,
нагрузки принимаются с коэффициен-
тами надежности по нагрузке, т. е-
расчетными.
Несущая способность Ф, как из-
вестно, определяется геометрическими
характеристиками сечения (площадью
сечения А при растяжении, сжатии или
срезе, моментом сопротивления W при
изгибе), умноженными на показатели
прочности материала. Так как в рас-
чете необходимо учесть самый неблаго-
приятный случай, когда несущая спо-
собность Ф оказывается наименьшей,
то характеристики прочности должны
приниматься наименьшими возможны-
ми, т. е. в виде расчетных сопротивле-
нии R у~ Ryn/fm ИЛИ Ru-Rim^m'
Для примера составим предельное
неравенство типд (II. 2) для стержня
с площадью речения Л, растянутого
осевой силой JV, возникающее,.от, дей-
ствия постоянной нагрузки с коэффи-
циентом надежности по нагрузке у;
Nnfftn < AR^c. (П.З)
Подставляя аналогичным образом в
основное предельное неравенство
(II. 2) усилия и геометрические ха-
рактеристики сечений для изгибаемых,
сжатых и любых других элементов,
получаем соответствующие формулы
для их расчета (см. гл. III).
Расчет по II группе предельных со-
стояний. Так как эта группа предель-
ных состояний связана с появлением
чрезмерных деформаций (перемеще-
ний), затрудняющих нормальную экс-
плуатацию, то основное предельное не-
равенство выглядит так:
3 < [В]. (II.4)
Оно означает, что деформация (пе-
ремещение) б, которая возникает в
конструкции от действующих нагру-
зок, не должна превышать предель-
ную деформацию [б], установленную
нормами.
Поскольку II группа предельных
состояний обеспечивает, как было ска-
зано выше, нормальную эксплуатацию
конструкций, то деформации (переме-
щения) б определяются не от расчет-
ных, а от нормативных нагрузок, т. е.
без учета коэффициентов надежности
по нагрузке. При этом ослабление се-
чений отверстиями под заклепки или
болты при определении геометрических
характеристик сечений не учитыва-
ется.
11.4. РАСЧЕТНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ СТАЛЕЙ
Расчетные сопротивления при рас-
тяжении, сжатии и изгибе (IL 1) для
различных марок сталей, групп проч-
ности, толщин и вида проката приве-
дены в табл. 51 СНиП П-23-81. При
других напряженных состояниях рас-
23
четные сопротивления вычисляются по
формулам1 (II.5) — (Ю). / Р’
При сдвиге (срейе):’
R, = 0,58/?v. (11.5)
При смятии торцевой поверхности
(при наличии пригонки):
Rp = Ru- (П-6)
При местном смятии в цилиндричес-
ких шарнирах (цапфах) при плотном
касании:
/?и> = 0,5/?м. (II.7)
При диаметральном сжатии катков
(при свободном касании в конструк-
циях с ограниченной подвижностью):
Red = 0,025/?u. (II.8)
При растяжении в направлении тол-
щины проката до 60 мм:
Rtb = 0,5/?v. (II.9)
В табл. II.1 приведены нормативные
и расчетные сопротивления для наи-
более употребительных марок сталей.
11.5. РАСЧЕТНЫЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ
АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
Так как прочностные свойства алю-
миниевых сплавов существенно изме-
няются при ' температуре свыше
4-100 °C и практически остаются по-
стоянными при отрицательных темпе-
ратурах, то расчетные сопротивления
R для деформируемых сплавов уста-
новлены в интервале температур от
+ 50° до —65 °C. При расчете конст-
рукций для температур от +51° до
100 °C расчетные сопротивления5'- ум-
ножаются на понйжающИй коэффици-
ент k1% принимаемый: для 'сплавов
АД1 и АМц kt *= 0,85 и для сплавов
АМг2, АД31, 1915 и 1925 feT = 0,9.
Так же, как и при расчете стальных
конструкций, расчетные сопротивления
алюминиевых сплавов для различных
видов конструкций учитываются с
коэффициентами условий работы, при-
веденными ниже:
Элементы конструкций 7,
Колонны жилых и общественных зданий 0,9
и опор водоопорных башен
Сжатые элементы решетки плоских 4ерм
при гибкости
к < 50 0,9
к > 50 0,75
Сжатые раскосы пространственных решет-
чатых конструкций из одиночных угол-
ков, прикрепляемых к поясам одной
полкой:
а) с помощью сварных швов или двух 0,75
и более заклепок (болтов), постав-
ленных вдоль уголка
б) с помощью одного болта или одной 0,6
заклёпки
Нормами допускается работа рас-
тянутых элементов и после достиже-
ния материалом условного предела
текучести оог- Ниже даны расчетные
сопротивления некоторых марок алю-
миниевых сплавов при работе на рас-
тяжение, МПа; ‘
АД1М —25
-АМцМ — 40
АМг2М - 700
АМг2М - 1500
АД31Т —55
АД31Т1 - 150
1925Т- 175
1915Т - 200
Глава III. РАБОТА И РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ
II 1.1. РАСЧЕТ РАСТЯНУТЫХ
ЭЛЕМЕНТОВ
5>
/ Работа стали и алюминиевых спла-
( вов на растяжение наиболее рацио-
нальна, так как допускает полное ис-
пользование прочностных свойств ма-
териала, поскольку при центральном
приложении нагрузки распределение
напряжений в сечении предполагается
равномерным: о = N!An (здесь N —
расчетное растягивающее усилие; Ап —
Таблица 11.1
Марка стали ГОСТ или ТУ Вид проката Толщина, мм Нормативное «сопротивление, МПа ♦ /сопротивление. МПа
предел текучести вре- менное сопротив- ление по пределу текучести по вре- менному сопротив- лению
18пс, 18сп, ГОСТ 23570-79 Листовой 4—20 235 370 230 360
18Гпс Фасонный 4—20 245 370 240 360
ВСтЗг.с-6-1 ТУ 14-1-3023-80 Листовой 4—10 235 365 v 230 355
Фасонный 11—20 245 365 240 355
Листовой 11—20 235 355 v 230 345
ВСтЗпс-6-2 ТУ 14-1-3023-80 Фасонный 4—Ю 275 370 270 360
» 11—20 265 365 260 355
» 4—10 275 380 270 370
ВСтЗспб-1 » 11-20 275 370 270 360
ТУ 14-1-3023-80 Листовой 4—Ю 245 365 240 355
» 11—20 235 365 v 230 355
ВСтЗсп5-2 Фасонный 4—10 255 380 250 370
ТУ 14-1-3023-80 Листовой 4—10 275 380 270 370
» 11—20 265 370 260 360
Фасонный 4—10 285 390 280 380
ВСтЗпсб, » 11-20 275 380 270 370
ГОСТ 380-71 Листовой 4—20 235 370 225 350
ВСтЗспб, ВСтЗГпсб Фасонный 4—20 245 370 235 350
09Г2 гр. 1 ТУ 14-1-3023-80 Листовой и фасонный 4—10 315 450 305 440
09Г2 гр. 2 ТУ 14-1-3023-80 То же 11—20 305 440 300 430
Листовой и фасонный 4—10 345 470 335 460
09Г2С гр. 1 ТУ 14-1-3023-80 То же 11—20 335 460 325 460
Листовой и фасонный 4—Ю 11—20 345 490 335 480
О9Г2С гр. 2 ТУ 14-1-3023-80 То же 325 470 315 460
Листовой 4—10 365 510 355 500
» 11—20 345 490 335 480
Фасонный 4—10 370 520 360 505
10Г2С1 ГОСТ 19282—73 » 11—20 355 500 345 490
Листовой и фасонный 5—9 345 335 490 330 465 455
14Г2 *70 То же 10—20 480 320
ГОСТ 19282 J Листовой 4—9 335 460 320 440
ГОСТ 19281—73 и фасонный 430
То же 10-32 325 450 ЗЮ
15ХСНД ГОСТ 19282 —73 Листовой 4—32 345 490 330 465
ГОСТ 19281 —73 Фасонный 4—9 345 490 330 465
юхснд ГОСТ 19282—73 ГОСТ 19281-73 ГОСТ 19282—73 ГОСТ 19282-73 ГОСТ 19282-73 ТУ 14-1-1308-75 » Листовой 10—32 4—32 325 390 470 530 310 355 450 480
14Г2АФ 16Г2АФ, 18Г2АФпс 12Г2СМФ Фасонный Листовой » » 4—15 4—50 4—32 4—32 10—32 390 390 440 440 590 530 540 590 590 685 355 370 400 400 515 480 515 535 535 595
Примечание. Толщиной фасонного проката является толщина его полки.
Рис. III.1. Предельное состояние растянутого
стержня:
а — при отсутствии концентрации напряжений в сече*
нии; б — г — в сечении с отверстием
площадь сечения нетто, т. е. с учетом
возможных ослаблений сечения под
болты или заклепки).
Предположение о равномерном рас-
пределении напряжений справедливо
только при отсутствии ослаблений в
сечении (рис- III. 1, а). При наличии
отверстий, являющихся концентрато-
рами напряжений (см. § I. 1), напря-
жения по сечению распределяются не-
равномерно (рис. 111.^1, б). Такая не-
равномерность сохраняется при упру-
гой работе материала. После дости-
жения напряжениями предела теку-
чести стали начинается их выравнива-
ние по сечению (рис. III.1, в), к кон-
цу которого наступает предельное со-
стояние (рис. III. 1, г). Тогда пре-
дельное неравенство (II. 2) принимает
вид N < AnRylc. откуда получается
следующая рабочая формула для про-
верки прочности сечений центрально-
растянутых стержней:
с = #/Ля</^> (III.1)
В практике проектирования встреча-
ются случаи, когда эксплуатация рас-
тянутых элементов возможна и после
достижения металлом предела текучести.
Это допускается для сталей, у которых
Ru/^u < Ry- Тогда расчетная формула
примет вид
а = N/Ап Ru^d^u^ (II1.2)
где уи — коэффициент надежности в рас-
четах по временному сопротивлению,
равный 1,3.
II 1.2. РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ / Г
НА ЦЕНТРАЛЬНОЕ СЖАТИЕ
В отличие от центрально-растянутых
стержней потеря несущей способности
центрально-сжатых стержней может
быть исчерпана вследствие наступле-
ния одного из двух предельных состоя-
ний: потери прочности, когда разру-
шается материал стержня; потери ус-
тойчивости, когда нарушается прямо-
линейная форма стержня без механи-
ческих разрушений материала.
Короткие сжатые стержни так же,
как и растянутые, рассчитываются на
прочность по формуле (III.1). В строи-
тельной практике короткие стержни
встречаются довольно редко, и в ос-
новном приходится иметь дело с длин-
ными (гибкими) стержнями, для
которых несущая способность теряет-
ся чаще не из-за потери прочности, а
в результате потери устойчивости.
Проблема устойчивости стальных кон-
струкций имеет исключительно важное
значение — около 40 % аварий метал-
лических конструкций происходит из-
за ее недооценки. Суть проблемы
устойчивости состоит в следующем.
Если упругий стержень (рис. III. 2, а)
сжимать центрально приложенной си-
лой Af, то, пока сжимающая сила ма-
ла, прямолинейная форма равновесия
устойчива. Если даже отклонить стер-
жень от положения равновесия не-
большой боковой силой, то после ее
удаления стержень восстановит свою
прямолинейную форму.
При возрастании силы N наступит
состояние, когда работа, совершаемая
силой при упругом перемещении А,
превысит потенциальную энергию
31
N
a
^*2 jjl*0,7 ji*0,5
1^21. 1^0,71 l^O^L
S
Рис. III.2. Продольный изгиб центрально-сжа-
того стержня:
а — к определению критической силы; б — влияние
способа закрепления концов на форму продольного
изгиба
упругой деформации стержня и прямо-
линейное состояние становится неустой-
чивым. Наряду со сжатием появляется
новая форма деформации — изгиб.
Продольная сила, соответствующая
моменту перехода стержня из прямо-
линейного в криволинейное равновес-
ное состояние, называется критиче-
ской силой Ncr. Изгиб, возникающий
от действия центрально приложенной
продольной силы, называется продоль-
ным изгибом.
Формула критической силы для
стержней с шарнирными закрепления-
ми концов при центральном сжатии
была получена в 1744 г. Л. Эйлером и
распространена проф. Ф. С. Ясинским
в 1894 г. на другие случаи закрепления
стержней:
Ncr = к2£//(|л/)2. (III.3)
Здесь Е — модуль упругости; I — мо-
мент инерции сечения (минимальный);
р — коэффициент приведения расчет-
ной длины, зависящей от условий за-
крепления концов стержня (рис. III. 2,
6); I — геометрическая длина стерж-
ня, равная наименьшему расстоянию
между точками стержня, закреплен-
ными от поперечного смещения.
Величина p,Z = lef называется рас-
четной длиной стержня, так как она
характеризует не только его протя-
женность, но и форму, принимаемую
при потере устойчивости. Например,
для приведенных на рис. Г<1;2, б четы-
рех основных случаев опорного закреп-
ления стержни, имеющие одинаковую
геометрическую длину, будут иметь
разные расчетные длины: при шарнир-
ном закреплении концов lef = Z; для
консольного стержня lef == 2Z; при од-
ном защемленном конце, а втором
шарнирном lef = 0,7Z; при обоих за-
щемленных концах lef = 0,5Z.
Для практических расчетов удобнее
пользоваться не критической силой, а
критическими напряжениями:
N П2Е1
(,ПЛ>
где А — площадь сечения стержня.
Учитывая, что I/А — i2 (i — радиус
инерции сечения), получим
(,IL5)
Вводя понятие гибкости стержня к =
= р./// == lgf/ц получим окончательную
формулу критических напряжений
асг = к2£Д2. (III.6)
Условие сохранения устойчивости
стержня
а<аСг. (Ш. 7]
Поэтому для увеличения несущей
способности стержня нужно стремить-
ся к увеличению оСг.
Из выражения (III. 6) видно, чтс
критические напряжения не зависят
от прочности материала. Два одинако-
вых стержня, изготовленных из стали
обычной прочности и высокопрочной
стали, будут терять устойчивость прг
одинаковой нагрузке. Поэтому приме
нение высокопрочных сталей в сжа-
тых стержнях рационально, если кри-
тические напряжения оказываются
близкими к расчетным сопротивлени-
ям, т. е. при малых гибкостях.
Примечательно, что особый эффект
дает увеличение несущей способност!
32
сжатых стержней не за счет наращи-
вания площади сечения, а за счет при-
менения более рациональной его фор-
мы. Такими сечениями являются, на-
пример, тонкостенные круглые или
квадратные трубы, для которых ха-
рактерны большие моменты инерции
лри минимальных площадях сечения.
Этот вывод следует из анализа фор-
мулы (III. 5).
Так как в формуле Эйлера для кри-
тической силы и в соответствующей ей
формуле для критических напряжений
модуль деформаций постоянный и равен
модулю упругих деформаций Е, то эти
формулы справедливы лишь в пределах
упругости, когда напряжения не пре-
вышают предела пропорциональности
аПц. Это возможно в длинных стержнях.
Если подставить в формулу (III.6) зна-
чение аПц для различных сталей, то
можно получить значения гибкостей
к = "Ктс2Е/апц, выше которых можно
пользоваться формулой Эйлера.
Например, для стали СтЗ апц =
=» 200 МПа, и такая гибкость пример-
но равна 105. В конструкциях стерж-
ни с такой большой гибкостью встре-
чаются редко. Потеря устойчивости
стержней с меньшими гибкостями про-
исходит в упругопластической области
работы материала.
Для практических расчетов вычис-
ляются не вег, а значения их отноше-
ний к предельным напряжениям мате-
риалов по прочности: ср = sCrlRy. Ве-
личину этого отношения ср называют
коэффициентом продольного изгиба.
Нормами этот коэффициент несколько
уменьшается, учитывая, что стержни
не бывают идеально прямыми:
ф = ^CrlikRy) — CcrlRy, (III.8)
где k = 1,4 — коэффициент, учитываю-
щий возможные искривления стержня
(случайные эксцентриситеты); <4- — кри-
тические напряжения с учетом случай-
ных эксцентриситетов. Очевидно, коэф-
фициент <р всегда меньше единицы.
Для коротких стержней может ока-
заться Осг > Ry, и тогда формально
коэффициент <р > 1. Это означает, что
несущая способность стержня исчерпы-
вается не устойчивостью его формы, а
прочностью материала, и расчет сле-
дует вести по формуле (III. 1).
С введением в расчет коэффициен-
та ф условие сохранения устойчивости
центрально-сжатых стержней (III, 7)
принимает вид
c = <fRy. (III.9)
Если выразить . напряжения через
усилие и ввести коэффициент условий
работы fc, то формула расчета централь-
но-сжатых стержней по методике пре-
дельных состояний будет
N/A<<fRyic, (III. 10)
где А — площадь сечения брутто, т. е.
без учета возможных ослаблений сече-
ния отверстиями.
Рабочая формула, приведенная в
СНиП 11-23-81, имеет вид:
< Ryie. (Ш.П)
Из сравнения формулы (III. 11) с
формулой (III. 1) видно, что формаль-
но расчет на устойчивость отличается
тем, что понижаются расчетные сопро-
тивления Ry умножением их на коэф-
фициент ф, меньший единицы.
Коэффициент продольного изгиба ф,
как и критические напряжения асг, за-
висит от гибкости стержня. С увели-
чением гибкости 1 коэффициент ф
уменьшается. Кроме того, на коэффи-
циент ф в соответствии с выражением
(III. 8) влияет прочность стали.
Для практических целей значения
коэффициентов продольного изгиба ф
вычислены для различных сталей при
разных гибкостях и сведены в табли-
цы (табл. III. 1), помещенные в нор-
мах и справочной литературе.
Расчет центрально-сжатых стержней
из алюминиевых сплавов на прочность
производится по формуле (III. 1), на
устойчивость—по формуле (III. 11) с
использованием значений расчетных
2 5-487
S3
Таблица 111,1
Коэффициенты <р для элементов из стали с расчетным сопротивлением, МПа
Гибкость X 200 240 280 320 360 400 440 480 520 560
10 988 987 985 984 983 982 981 980 979 978
20 967 962 959 955 952 949 946 943 941 938
30 939 931 924 917 911 905 900 895 891 887
40 906 894 883 873 863 854 846 849 832 825
50 869 852 836 822 809 796 785 775 764 746
60 827 805 785 766 749 721 696 672 650 628
70 782 754 724 687 654 623 595 568 542 518
80 734 686 641 602 566 532 501 471 442 414
90 665 612 565 522 483 447 413 380 349 326
100 599 542 493 448 408 ЗП9 335 309 286 267
ПО 537 478 427 381 338 306 280 258 239 223
120 479 419 366 321 287 260 237 219 203 190
130 425 364 313 276 247 223 204 189 175 163
140 376 315 272 240 215 195 178 164 153 143
150 328 276 239 211 189 171 157 145 134 126
160 290 244 212 187 167 152 139 129 120 112
170 259 218 189 167 150 136 125 115 107 100
180 233 196 170 150 135 123 112 104 097 091
190 210 177 154 136 122 111 102 094 088 082
200 191 161 140 124 111 101 093 086 080 075
210 174 147 128 113 102 093 085 079 074 069
220 160 135 118 104 094 086 077 073 068 064
Примечание.
Значения коэффициентов ср в табл, увеличены в 1000 раз.
сопротивлений и коэффициентов про-
дольного изгиба для легких сплавов,
принимаемых по СНиП 11-24-74.
111.3. РАСЧЕТ ИЗГИБАЕМЫХ AZ
ЭЛЕМЕНТОВ 7
Предельное состояние изгибаемых
элементов (балок) по потере прочнос-
ти рассматривают для двух расчетных
случаев: при работе материала в пре-
делах упругости и при развитии пла-
стических деформаций.
При работе балки в пределах упру-
гости эпюра нормальных напряжений
имеет треугольную форму, и предель-
ное состояние наступает, когда напря-
жения в крайних волокнах сечения
(фибрах) достигают предела текучести
(рис. III. 3, а). В этом случае проч-
ность балки проверяется по формуле
° ~ RyTci (Ш.12)
где Almax максимальный изгибающий
момент в балке; Wn, min — минималь-
ный момент сопротивления сечения
нетто.
Однако при фибровой текучести
прочность балки еще не исчерпывает-
ся, так как все волокна сечения, за
исключением крайних, продолжают ра-
ботать упруго. Действительное пре-
дельное состояние наступает тогда,
когда под влиянием возрастающей на-
грузки напряжения текучести, распро-
страняясь вглубь сечения (рис. III.3,
б), охватывают все волокна (рис. Ш.З,
в). В этом случае на нейтральной
оси балки в сечении с максимальным
моментом появляется так называемый
шарнир пластичности вследствие того,
что все волокна, следуя диаграмме ра-
боты стали (см. рис. 1.1, б), в растя-
нутой зоне удлиняются, а в сжатой —
укорачиваются без увеличения нагруз-
ки (текут). Зоны распределения теку-
чести материала в балке показаны на
рис, III. 3, г.
34
Момент, отвечающий шарниру пластич-
ности (рис. Ш.З,б):
Л1пР=от464^втТ’ (П1ЛЗ,а)
Рис. 111.3. Предельные состояния при изгибе:
а — в пределах упругой работы материала; б непол-
ное развитие пластических деформаций в сечении; в **
образование шарнира пластичности; г зона пласти-
ческих деформаций в балке; 1 — шарнир пластичности;
2 — зоны текучести материала
Из этих равенств следует, что момент
сопротивления в упругой области В7 =
= b№[§, а пластический момент сопро-
тивления Ч7Пл=Ь/г2/4. (Так как статичес-
кий момент половины сечения балки' от-
носительно нейтральной оси S =
то ^пл=2S).
Как видно, пластический момент со-
противления сечения больше упругого.
Нормами увеличение несущей способ-
ности балок при развитии пластиче-
ских деформаций учитывается умно-
жением упругого момента сопротивле-
ния №n, mln на коэффициент Ci, боль-
ший единицы, и проверка нормальных
напряжений выполняется по формуле
_ Мщах
с1^п,т1п
< Ryfc-
(Ш.14)
В отличие от обычных шарниров, в
которых изгибающие моменты равны
нулю, в шарнире пластичности дейст-
вует предельный момент Л4пр, уравно-
вешивающий внешнюю нагрузку. При
уменьшении нагрузки шарнир пластич-
ности исчезает, так как материал
балки опять начинает работать уп-
руго.
Несущая способность балки при раз-
витии шарнира пластичности возра-
стает за счет увеличения момента со-
противления сечения. Момент сопро-
тивления сечения при упругой и пла-
стической работе материала можно
определить из условия равновесия уси-
лий, действующих в расчетном сече-
нии.
Например, для балки сплошного
прямоугольного сечения шириной b
и высотой h момент внутренних уси-
лий (напряжений), уравновешиваю-
щих изгибающий момент при упру-
гой работе материала (рис. Ш.З, а);
лл 1 h <2h bh2 ,ттт 1Q4
М =~2 у = (III• 13)
Чтобы исключить чрезмерные прогибы
балок, коэффициент ci подсчитывают
при неполном развитии шарнира пла-
стичности (рис. Ш.З, б). Значения
этого коэффициента для различных
типов сечений стальных балок прини-
маются по п. 5.18 СНиП П-23-81.
Рис. III.4. Влияние касательных напряжений
на образование пластического шарнира:
а _ при небольших касательных напряжениях; б =* при
больших касательных напряжениях
2*
35
Так как по формуле (III. 14) прове-
ряются напряжения на краю балки,
то описанный способ учета пластично-
сти справедлив, если касательные на-
пряжения в расчетном сечении невели-
ки и приведенные напряжения ared
будут наибольшими в крайних волок-
нах (рис. III.4, а). При значительных
касательных напряжениях пластич-
ность начинается в стенке (рис.
III.4, б).
Поэтому нормами разрешается учи-
тывать пластичность в балках, несу-
щих статическую нагрузку и выпол-
ненных из стали с пределом текучести
до 580 МПа, если касательные напря-
жения не превышают при изгибе бал-
ки в одной плоскости 0,9 Rs, а при
изгибе в двух главных плоскостях 0,5
Rs. Здесь Rs — расчетное сопротивле-
ние стали сдвигу.
Касательные напряжения в балках,
работающих в пределах упругости, и
в балках с допущением пластичности
проверяют по формуле
т = QS/(Itw) < Rsic. (III. 15)
В опорных сечениях разрезных ба-
лок, где изгибающие моменты равны
нулю, при расчете с допущением пла-
стических деформаций касательные
напряжения можно проверять по фор-
муле
т = Q/(twhw) -С Rsic- (III. 16)
В формулах (III.15) и (III.16) приня-
ты следующие обозначения: Q — попе-
речная сила в расчетном сечении; S—
статический момент половины сечения
балки (для симметричных сечений)
относительно нейтральной оси; I — мо-
мент инерции сечения балки относи-
тельно нейтральной оси; tw и hw — со-
ответственно толщина и высота стенки.
Кроме проверок прочности по фор-
мулам (III.12) или (III.14), (III.15)
или (III.16), для изгибаемых элемен-
тов производятся проверка прогибов в
соответствии с предельным неравен-
ством (П.4), а также проверки устой-
чивости, о чем более подробно сказано
в гл. V.
111.4. РАСЧЕТ ВНЕЦЕНТРЕННО-
СЖАТЫХ И СЖАТО-ИЗОГНУТЫХ //
СТЕРЖНЕЙ
В конструкциях часто встречаются
случаи приложения продольной сжима-
ющей силы с эксцентриситетом отно-
сительно оси стержня, в результате
чего наряду со сжатием возникает
изгиб. Такие стержни называются вне-
центренно-сжатыми (рис. III.5, а).
Встречаются также случаи загру-
жения, когда стержень сжимается осе-
вой силой и одновременно изгибается
поперечной нагрузкой. Такие элемен-
ты называются сжато-изогнутыми
(рис. III.5, б). Теоретически работа
обоих видов стержней несколько от-
личается, хотя практически сжато-
изогнутые стержни приравниваются к
Рис. III.5. Работа стержня при действии осево-
го сжатия с изгибом:
а — схема внецентренно-сжатого стержня; о— ехема
ежато-изогнутого стержня; в — замена внецентрепно*
сжатого стержня условным центрально-сжатым; гв
зависимость критических напряжений от прогиба
86
внецентренно-сжатым (что идет в за-
пас прочности) и оба вида стержней
рассчитываются одинаково.
Особенность работы внецентренно-
сжатых стержней заключается в том,
что внешний момент возрастает не
только за счет увеличения силы N, но
также и в результате увеличения про-
гиба f, то есть
M = N(e + f). (III.17)
Критические напряжения внецент-
ренно-сжатого стержня оказываются
меньшими, чем центрально-сжатого:
(Усг,е^(Усг. Это ВИДНО ИЗ рИС. II 1.5, в.
Если продолжить кривую упругой ли-
нии внецентренно-сжатого стержня до
пересечения с линией действия силы
N, то получится условный центрально-
сжатый стержень длиной Iq большей,
чем /, а значит, и с большей гиб-
костью.
Зависимость между напряжениями
в стержне и прогибом можно предста-
вить кривой на рис. III.5, а. Вначале
кривая отражает область устойчивого
равновесия, распространяющуюся до
появления критических напряжений
вег и критического прогиба fcr, после
чего прогиб растет без увеличения на-
грузки, и стержень теряет несущую
способность.
В нормах проектирования критиче-
ские напряжения определяются в за-
висимости от гибкости, эксцентрисите-
та и формы сечения. Для удобства
пользуются относительным эксцентри-
ситетом т = е/р, где e=M/N— эксцент-
риситет приложения силы, р=№с/Л —
ядровое расстояние; Wc — момент со-
противления сечения, вычисленный для
наиболее сжатого волокна.
Зависимости критических напряже-
ний от гибкости для разных форм се-
чения подобны друг другу. Это дает
возможность пользоваться только од-
ним графиком (для прямоугольного
сплошного сечения) и переходить к
кривым для других сечений умноже-
нием на переходный коэффициент. По-
этому при расчете сплошных внецент-
ренно-сжатых стержней используются
приведенные эксцентриситеты 'mef =
=т\т9 где т] — коэффициент, учитыва-
щий форму сечения элемента и зави-
сящий от соотношения площадей по-
лок и стенок сечения и условной гиб-
кости Ry/E (табл. 73 СНиП
П-23-81).
Как и при расчете центрально-сжа-
тых стержней, при расчете внецентрен-
но-сжатых стержней вводится коэффи-
циент, понижающий расчетное сопро-
тивление, сре = VcrdRy, и условие устой-
чивости (III.7) записывается в виде
а = NlA < VeRytc- (Ш. 18)
Рабочая формула для расчета вне-
центренно-сжатых стержней, приведен-
ная в нормах, имеет вид
NfaeAXRyb. (III.19)
Значения коэффициента <рв определяют
в соответствии с п. 5.27 СНиП П-23-81
для сплошных стержней в зависимости
от условной гибкости к = \УRy/E и
приведенного эксцентриситета mef, а для
сквозных стержней в зависимости от
условной приведенной гибкости =
= К(УRy/E и относительного эксцент-
риситета т.
Для предварительных расчетов при
т > 4 можно пользоваться приближен-
ной формулой проф. Ф. С. Ясинского
NfrA + M/W < Ry[c- (Ш.20)
При этом нужно учитывать, что фор-
мула Ф. С. Ясинского дает неточность
около 5—8 %. Если т>20, то нет не-
обходимости рассчитывать стержень
на устойчивость и достаточно выпол-
нить расчет на прочность в соответ-
ствии с п. 5.25 СНиП П-23-81.
Помимо проверки устойчивости вне-
центренно-сжатых стержней в плоско-
сти действия изгибающего момента,
необходима также проверка устойчи-
вости из плоскости действия момента.
Если стержень изгибается в плоскости
37
наибольшей жесткости (Ix>Iy), сов-
падающей с плоскостью симметрии,
то проверка из плоскости, т. е. отно-
сительно оси у—у, осуществляется по
формуле
М(съА) < (III.21)
где с — коэффициент, определяемый в
соответствии с требованиями п. 5.31
СНиП П-23-81; <?у— коэффициент про-
дольного изгиба относительно оси у—у.
При изгибе стержня в плоскости
наименьшей жесткости (1У < 1Х и экс-
центриситет еу =/= 0) стержень проверя-
ется из плоскости действия момента
(т. е. относительно оси х—х) как цент-
рально-сжатый стержень по формуле
(III.11)
NlltfxA) < Ry\ct
где — коэффициент продольного из-
гиба относительно оси х—х. В случае
гибкости Хх < \у такая проверка не
нужна.
111.5. ПРИНЦИПЫ ПОДБОРА СЕЧЕНИЙ > р
РАСТЯНУТЫХ, ЦЕНТРАЛЬНО-СЖАТЫХ )<f
И ИЗГИБАЕМЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Основные элементы металлических
конструкций гражданских и производ-
ственных зданий и сооружений в за-
висимости от характера действующих
усилий могут быть разделены на сле-
дующие виды: центрально-растянутые
элементы — стержни плоских ферм и
шарнирно-стержневых пространствен-
ных конструкций, стальные канаты в
вантовых системах и др.; центрально-
сжатые элементы — стержни ферм,
колонны зданий и др.; изгибаемые
элементы — балки; элементы, подвер-
женные действию осевой силы с из-
гибом, — колонны и ригели каркасов
зданий, вантовые элементы с большой
жесткостью на изгиб и др.
Расчет элементов металлических
конструкций заключается в подборе
сечений и последующей проверке на-
пряжений,
В предыдущих параграфах даны ос-
новные формулы для проверки напря-
жений. Подбор сечений элементов вы-
полняется с использованием этих же
формул.
При подборе сечений элементов глав-
ным является назначение по действу-
ющему в них усилию N или изгиба-
ющему моменту М соответственно тре-
буемой площади сечения ДТр либо тре-
буемому моменту сопротивления №Тр.
Порядок определения Дт₽ и №Тр и под-
бора сечений элементов следующий.
Подбор сечений центрально-растя-
нутых элементов. Зная действующее в
элементе максимальное растягивающее
усилие N, расчетное сопротивление
принятой стали Ry (или Ra) и пользу-
ясь рабочей формулой при растяжении
o=NIAn‘<.Ry‘ic, находим минимальную
требуемую площадь сечения брутто,
т. е. полную, включая ослабления се-
чения отверстиями.
ДТр = А7(аед, (III.22)
где а — коэффициент, который вводит-
ся при наличии ослаблений сечения
стержня отверстиями и принимается
равным 0,85.
Затем по сортаменту проката подби-
рается прокатное или компонуется со-
ставное сечение элемента. Проверка
напряжений в выбранном сечении не-
обходима только при наличии ослаб-
лений, вызванных отверстиями, пло-
щадь которых должна быть определе-
на точно с учетом фактических диамет-
ров отверстий.
Сечения растянутых элементов, ра-
бота которых возможна после достиже-
ния металлом предела текучести, под-
бираются так же, но с применением
рабочей формулы (III.1):
а = N/An < Rufc/fu'
Отсюда получаем формулу для опреде-
ления требуемой площади сечения.'
Дтр = (Ш .23)
где Tfu •— коэффициент надежности в
расчетах по временному сопротивле-
38
нию, равный 1,3; Ru — расчетное со-
противление стали растяжению, сжа-
тию и изгибу по временному сопротив-
лению.
Подбор сечений центрально-сжатых
элементов. Пользуясь рабочей форму-
лой (III.11), определяем требуемую
минимальную площадь сечения:
лтр = адад. (III.24)
В этом равенстве известны: осевая
сжимающая сила N, расчетное сопро-
тивление принятой стали Ry и коэф-
фициент условий работы неизве-
стны: требуемая площадь Лтр и коэф-
фициент продольного изгиба ф.
Для решения этого уравнения необ-
ходимо предварительно задаться зна-
чением <р, которое принимается из сле-
дующих соображений.
При расчете центрально-сжатых
стержней строго ограничиваются пре-
дельные гибкости % (см. п. 6.15 и
табл. 19 СНиП 11-23-81): для поясов
опорных раскосов и стоек ферм, пе-
редающих опорные реакции, а также
для колонн зданий — 180—60а, где а=
= N/(q>ARy*(c) — коэффициент, прини-
маемый не менее 0,5; для прочих сжа-
тых элементов ферм, второстепенных
колойн (стоек, фахверка, фонарей и
т. д.), элементов связей между колон-
нами (ниже подкрановых путей) —
210—60а; для других элементов свя-
зей — 200.
Исходя из этих ограничений необхо-
димо задаться предварительными зна-
чениями коэффициента продольного
изгиба ф, которые принимаются: для
поясов ферм, опорных подкосов и ос-
новных колонн ф = 0,7...0,8; для прочих
сжатых элементов ф = 0,5...0,6.
Предварительные значения ф под-
ставляют в формулу (III.24) и подби-
рают сечение элемента из соответству-
ющих профилей по сортаменту. Так
как значение ф было принято ориенти-
ровочно, то при подборе центрально-
сжатых стержней необходима провер-
ка принятого сечения по формуле
(III.11).
Для этого определяют фактические
радиусы инерции iXt iy сечения, гиб-
кости Кх9 Ку и коэффициенты продоль-
ного изгиба фх, ф^ относительно глав-
ных центральных осей х—х и у — у.
Если условие (III.И) не выполняется,
то принятое сечение необходимо изме-
нить в большую сторону и повторить
проверку сечения. Такой метод расчета
называется методом последовательного
приближения и иногда состоит из двух
или трех попыток.
Подбор сечений изгибаемых элемен-
тов (балок) по условию прочности.
Если материал балки работает в уп-
ругой области, то из формулы (III.12)
при известном изгибающем моменте
Almax и расчетном сопротивлении при-
нятой стали Ry определяется требуе-
мый момент сопротивления:
U?tp = Л4тах/(7?Лс). (III.25)
При этом для наиболее полного ис-
пользования прочностных свойств ста-
ли напряжения в крайних волокнах о
приравнивают расчетным сопротивле-
ниям Ryfc-
Если в сечениях балки допускаются
пластические деформации, то требу-
емый момент сопротивления определя-
ется из формулы (III.14):
= Alm ах/(£1-Ryfc)* (III.26)
Зная требуемый момент сопротивле-
ния ТГтр, по сортаменту выбирают нуж-
ный номер двутавра или швеллера,
чтобы их момент сопротивления был
равен или больше требуемого. Если
требуемый момент сопротивления ока-
зывается большим, чем имеется в сор-
таменте, то сечение балки компонуют
из нескольких профилей проката. Чаще
всего для этой цели используют листо-
вой прокат. Компоновка сечений со-
ставных балок, а также проверки,
которые необходимо выполнить после
подбора сечения прокатной или состав-
ной балки, изложены в гл. V.
39
Глава IV. СОЕДИНЕНИЯ В МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЯХ
IV.1. НАЗНАЧЕНИЕ И ВИДЫ
СОЕДИНЕНИЙ
Соединения предназначаются для
укрупнения элементов, обеспечения
сплошности конструкций, восприятия
и передачи действующих усилий в уз-
лах конструкций. От правильного вы-
бора типа соединений и обеспечения
их прочности при работе на силовые
воздействия зависит надежность соору-
жения в целом.
В строительных металлических кон-
струкциях применяются два основных
вида соединений: сварные и болтовые.
Заклепочные соединения в настоящее
время практически не применяются.
Каждый вид соединений имеет положи-
тельные и отрицательные свойства.
Сварные, болтовые и заклепочные
соединения в конструкциях из алюми-
ниевых сплавов рассчитываются и кон-
струируются аналогично соединениям
стальных конструкций. Расчетные соп-
ротивления и коэффициенты условий
работы принимаются в соответствии со
СНиП П-24-74 «Алюминиевые кон-
струкции».
В зависимости от места производства
работ различают заводские соединения,
выполненные на заводе-изготовителе
металлических конструкций, и монтаж-
ные, выполненные на строительной
площадке.
IV.2. ВИДЫ СВАРКИ
В СТРОИТЕЛЬСТВЕ
Электродуговая сварка —
наиболее распространенный вид свар-
ки в строительстве — изобретена в
1882 г. русским инженером Н. Н. Бе-
нардосом и усовершенствована в
1888 г. Н. Г. Славяновым. Принцип
сварки плавящимся электродом осно-
ван на образовании электрической
дуги между стальным стержнем —
электродом и соединяемыми деталями.
Под влиянием высокой температуры
дуги металл электрода и соединяемых
элементов расплавляется, перемешива-
ется и образует сварной шов, соединя-
ющий детали вместе (рис. IV.1, а).
В строительстве применяют следу-
ющие виды электродуговой сварки:
ручная, автоматическая, полуавтома-
тическая и газоэлектрическая.
Начинают применять также контакт-
ную сварку нагревом с использованием
давления. Для сварки толстых сталь-
ных листов применяют электрошлако-
вую сварку.
При ручной сварке применяют штуч-
ные электроды (стальные стержни) со
специальным покрытием — обмазкой,
назначение которой — защищать рас-
плавленный металл от проникновения
в него из воздуха вредных примесей
(кислорода и азота), стабилизировать
горение дуги и легировать металл шва.
Сварка голыми, не обмазанными
электродами приводит к образованию
некачественных хрупких швов.
Электроды маркируются буквой Э и
числом, обозначающим значение вре-
менного сопротивления наплавного ме-
талла шва в кгс/см2, которое должно
быть не ниже временного сопротивле-
ния металла свариваемых элементов.
Для сварки конструкций из стали СтЗ
применяют электроды с толстой об-
мазкой марки Э42. В конструкциях из
стали СтЗ, работающих на динамиче-
Рис. IV. 1. Схемы сварки электрической дугой:
а — ручная сварка; б — автоматическая сварка; в — се-
чения порошковой проволоки; 1 — стальной электрод;
2— держатель; 3 — источник тока; 4 — свариваемое
изделие; 5 ^сварной шов; 6 — сварочная дуга; 7 — флюс
40
ские нагрузки, применяют электроды
гЭ42А, обеспечивающие более пластич-
ный наплавленный металл шва. Для
уварки конструкций из низколегиро-
ванных сталей применяют электроды
Э50А, Э55 и др.
Качество сварных швов при ручной
сварке зависит от марки применяемого
электрода, квалификации сварщика,
расположения швов в пространстве
и т. д.
Автоматическая сварка — один из
наиболее передовых методов сварки.
Электродом для автоматической свар-
ки служит специальная тонкая голая
проволока, которая, разматываясь из
бухты, непрерывно подается к сва-
рочному автомату, перемещающемуся
вдоль шва. Для предохранения рас-
плавленного металла от контакта с
окружающей средой используют сыпу-
чий материал определенного химиче-
ского состава, называемый флюсом,
которым засыпают конец электродной
проволоки в месте горения дуги, и
полностью изолируют ее от воздуха.
При этом получается ровный плотный
-.шов с высокими механическими свой-
ствами (рис. IV. 1, б).
Преимущества автоматической свар-
ки — высокая производительность и
глубокое проплавление свариваемых
деталей. Автоматическая сварка обес-
$ечйвает прочность швов не ниже проч-
ности основного свариваемого металла.
В труднодоступных местах, где при-
менение автоматической сварки из-за
громоздкости оборудования становится
невозможным, используется полуавто-
матическая сварка, в которой элект-
род в виде тонкой 2-миллиметровой
проволоки подается к месту сварки по
шлангу с помощью ручного держателя.
Флюс высыпается в место наложения
щва из специальной воронки, а свар-
щик перемещает электрод вручную.
Получает распространение полуав-
томатическая сварка с применением
порошковой проволоки (рис. IV. 1, в).
Особенность газоэлектрической свар-
ки заключается в том, что процесс
сварки происходит в среде инертных
(аргон, гелий) или активных (угле-
кислый) газов. Струя газа, направля-
емая к месту сварки специальной го-
релкой, обтекает плавящийся элект-
род — незащищенную голую тонкую
проволоку специального состава — и
изолирует место сварки от окружа-
ющей среды. Таким образом, здХсь
флюс не нужен. Качество сварных
швов при газоэлектрической сварке
высокое. Малоуглеродистые стали сва-х
риваются в среде углекислого газа,
легкие алюминиевые сплавы — в среде
аргона.
IV.3. ОСНОВЫ РАСЧЕТА
И КОНСТРУИРОВАНИЯ СВАРНЫХ
СОЕДИНЕНИЙ
Соединения могут быть образованы
сваркой элементов встык, чаще всего
листов (рис. IV.2, а), внахлестку (рис.
IV.2, б), втавр (рис. IV.2, в), в угол
(рис. IV.2, г). Может быть осуществ-
лено и комбинированное соединение
(рис. IV.2, б).
По конструктивному признаку свар-,
ные швы делятся на два вида: стыко-
вые (рис. IV.2, а) и угловые, или ва-
ликовые (рис. IV.2, б, в, г).
В зависимости от направления уси-
лий угловые швы разделяются на ло-
бовые, расположенные перпендикуляр-
но действующему усилию (рис. IV.3,а),
и фланговые, расположенные парал-
лельно действующему усилию (рис.
IV.3, б).
По положению в пространстве свар-
ные швы могут быть: нижние, гори-
зонтальные, вертикальные и потолоч-
ные (рис. IV.3, в—е). Потолочные швы
трудновыполнимы, и их следует избе-
гать.
При сварке встык листов толщиной
более 8—10 мм для получения каче-
ственного шва необходима соответ-
ствующая обработка стыкуемых кро-
мок. По типу обработки кромок швы
41
Рис. IV.2. Виды сварных соединений:
а встык; б ® внахлестку; в — втавр; г — в угол; д — комбинированное; / — стыковые швы; 2 — угло*
вне швы
разделяются на V-образные (рис^ сопротивления для разных видов швов
IV.4, а), Х-образные (рис. IV.4, б), различны.
К-образные (рис. IV.4, в) и [/-образ-Стыковые сварные швы более на-
ные (рис. IV.4, г). {удежно работают на сжатие. Поэтому
При сварке швы могут быть нало- вне зависимости от вида сварки рас-
жены на всю необходимую толщину
за один или за несколько проходов
(в несколько слоев). Поэтому сварка
по числу накладываемых слоев шва
подразделяется на однопроходную и
многопроходную. По качеству швы,
наложенные многопроходной сваркой,
уступают однопроходной.
Прочность сварных швов во многом
зависит от их вида, поэтому расчетные
четные сопротивления стыковых швов
на сжатие принимаются одинаковыми
с металлом соединяемых элементов.
При растяжении стыковые швы ра-
ботают хуже и в случае недостаточно
высокого качества сварных работ проч-
ность их несколько ниже основного
металла. Поэтому для создания равно-
прочного соединения при работе на
растяжение необходимо осуществлять
Рис. IV.3. Виды сварных швов:
а, б —по расположению относительно направления
силы; в — е — по расположению в пространстве; 1 —
лобовые швы; 2 — фланговые швы
Рис. IV.4. Способы разделки кромок под
сварку
42
Рис. IV.5. К расчету стыковых швов:
а — прямой стык; б — увеличение длины шва с по<
мощью выводных планок; в — косой стык; 1 — вывод-
ная планка
физический контроль качества шва с
применением ультразвуковых, рентге-
новских или магнитных методов. Это
возможно в хорошо налаженных за-
водских условиях. В других случаях
при расчете стыковых растянутых со-
единений используют пониженные рас-
четные сопротивления.
Так же, как и для металла конструк-
ций, расчетные сопротивления наплав-
ленного металла швов стыковых сое-
динений устанавливаются по пределу
текучести и по временному сопротив-
лению. СНиП П-23-81 предусматрива-
ет следующие виды расчетных сопро-
тивлений стыковых швов:
1. Для работы на сжатие, растяже-
ние и изгиб при автоматической и по-
луавтоматической или ручной сварке
с применением физического контроля
качества швов: по пределу текучести
Rwy = по временному сопротивле-
нию RWu = Ru.
2. То же, кроме сжатия по пределу
текучести, но без применения физиче-
ского контроля качества швов Rwy =
= 0,85/?^.
3. При сдвиге R WS — Rs.
Расчет стыковых швов сводится к
определению напряжений в поперечном
сечении шва по линии / — /на рис,
IV.5, а. Следует иметь в виду, что при
определении площади стыковых швов
направленные валики в верхней части
и подварка в нижней части швов не
учитываются, т. е. толщина швов при-
нимается равной толщине свариваемых
элементов. Тогда площадь сечения
шва по I—I
А = tlw,
где t — толщина соединяемых элемен-
тов; lw — расчетная длина шва, кото-
рая может быть принята равной пол-
ной его длине, уменьшенной на 2/, учи-
тывая непровар корня шва в начале
и незаваренный кратер в конце шва,
либо полной его длине в случае выво-
да концов шва за пределы стыка.
Последнее может быть достигнуто при-
варкой на время сварки стыка времен-
ных выводных планок (рис. IV.5, б),
которые образуются после окончания
заварки стыка. В этом случае непро-
вар и кратер образуются на выводных
планках и стыковой шов получается
полноценным по всей длине.
Напряжения в стыковом шве при
сжатии и растяжении и физическом
контроле качества проверяются по
формуле
Оц) = NlA = N/{tlw} Rwy^C = Rfa.
(IV.1)
При работе на растяжение без при-
менения физического контроля каче-
ства швов
Ow = N/А = < Rwu = 0,857?^.
(IV.2)
В случае расчета стыковых соедине-
ний растянутых элементов, эксплуата-
ция которых возможна и после дости-
жения металлом предела текучести,
следует пользоваться формулой
aw = N/(tlw) (IV.3)
где Rwu — расчетное сопротивление,
определенное по временному сопротив-
лению; уи — коэффициент надежности
при расчетах по временному сопротив-
лению, равный 1,3.
Не нужно рассчитывать стыковые со-
единения с полным проваром в случае
43
Рис. IV.6. К расчету угловых швов:
а — профили швов; б — условный характер разруше-
ния; в — расчетное сечение шва при ручной сварке;
г —то же, при автоматической; д — расчетные сечения
швов; 1 — по металлу шва; 2 — по границе сплавления
другой передаются угловыми швами ’f
неравномерно. Условно считается, что |
угловые швы работают на срез и раз- J
рушаются по биссектрисе условного |
треугольника шва, т. е. по наименьшей '1
площади шва (рис. IV. 6, б, в): э
A = kf0,7lw> (IV.4) 1
где 0,7 — cos 45°; lw — длина шва. '
Так как при автоматической и полу-
автоматической сварке глубина про- ;
плавления у корня шва больше, чем
при ручной (рис. IV.6, г), то фак-
тическая длина биссектрисы может
быть более OJkf. Поэтому cos 45° =
= 0,7 заменяется коэффициентами 0,
значения которых зависят от вида
сварки и расчетного сечения шва, J
а площадь углового шва определится
выражением
А = $kflw. (IV.5)
А так как фактически шов может
разрушиться не только по биссектри-
се, т. е. по металлу шва, но и по ме-
таллу границы сплавления, то нормы
предусматривают проверку напряже-
ний в угловых швах по указанным
двум сечениям (рис. IV.6, д):
по металлу шва
to, = NIА = Rwf^wf^ct (IV.6)
применения сварочных материалов по
прил. 2 СНиП 11-23-81 и при физиче-
ском контроле качества швов.
Для обеспечения равнопрочности
стыка и основного металла применяют
косые стыковые швы, позволяющие за
счет большей длины получать равно-
прочные соединения при работе на
растяжение (рис. IV.5, в). Если угол
между направлением усилия и швом
не превышает 65°, то такие швы можно
не рассчитывать.
Г При расчете угловых швов (фланго-
вых и лобовых) поперечное сечение
принимается в виде условного тре-
угольника, вписанного в сварной шов
(т. е. без учета наплывов), с высотой
катетов kf, равной высоте шва (рис. IV.
6, а). Усилия с одного элемента на
по металлу границы сплавления
= NJ А — N/(fizfylw) Rwz^wz^ct (IV .7)
где 0f и 0z—коэффициенты, прини-
маемые при сварке элементов из ста-
ли: с пределом текучести до 580 МПа —
по табл- IV. 1; с пределом текучести
свыше 580 МПа независимо от вида
сварки, положения шва и диаметра
сварочной проволоки 0[ = О,7; рг=1;
kf — катет углового шва (высота шва);
lw — расчетная длина шва, принимае-
мая меньше его полной длины на
10 мм (учитываются кратер и непро-
вар по концам шва); yWf и ywz— ко-
эффициенты условий работы шва, рав-
ные 1, кроме конструкций, возводимых
в климатических районах 1Ь 1г, Пъ
Из (см. п. 11.2 СНиП П-23-81).
44
Таблица IV. 1
Вид сварки при диаметре сварочной проволоки d, мм Значения коэффициентов при катетах швов, мм
3—8 9—12 14-16 18 и более
02 9f 9г
Автоматическая при d = 1=3 — 5 1,1 1,15 0.9 1,05 0,9 1,05 0,7 1,0
Автоматическая и полу- автоматическая при d = =1= 1,4 — 2 0,9 1,05 0,8 1,0 0,7 1,0 0.7 1,0
Ручная, полуавтоматиче- ская проволокой сплош- ного сечения при d < 1,4 или порошковой прово- локой 0,7 1,0 0,7 1,0 0,7 1,0 0,7 1,0
Расчетные сопротивления угловых
швов, исходя из работы шва на услов-
ный срез, принимаются:
по шву Rwf = 0,55Rwun/ywm; (IV.8)
по границе сплавления RWz = 0,457?un,
(IV.9)
где RWun — нормативное сопротивление
металла шва; Run — нормативное вре-
менное сопротивление основного метал-
ла разрыву; vWm— коэффициент на-
дежности по материалу: 1,25 — при
значениях R wun не более 490 МПа и
1,35 — при /?ргил = 590 МПа и выше.
Расчетные сопротивления Rwf и Rw2
приведены в табл. IV.2.
Необходимая длина шва при задан-
ном катете kf при расчете по металлу
шва
z-=iw&> <,vio>
а при расчете по металлу границы
сплавления
Таблица IV.2
Расчетные сопротивления металла швов, МПа Расчетные сопротивления металла границы сплавления. МПа
Сварочные материалы Rwf Ran Rwz
Тип электрода Марка проволоки
Э42, Э42А Св-08, Св-08А 180 345 155
Э46, Э46А Св-08ГА (Св-07ГС) 200 355 160
Э50, Э50А Св-ЮГА, Св-08Г2С, Св-08Г2СЦ, ПП-АН8, Св-АНЗ (Св-07ГС) 215 370 380 410 165 170 185
Э60 Св-08Г2С, СВ-08Г2СЦ, Св-ЮНМА, Св-10Г2,. 240 440 460 480 200 205 215
Э70 Св-10ХГ2СМА Св-08ХН2ГМК> (Св-08Г2С) 280 500 540 225 245
45
Рис. IV.7. Особенности конструирования и рас-
чета угловых ШВОВ!
а — ограничение катетов швов; б — распределение уви.-
лий в швах прикрепления несимметричных сечений
Расчетная длина шва назначается
равной большему из двух значений lw
с добавлением 10 мм на непровар и
образование кратера.
Так как по длине фланговых швов
напряжения распределяются неравно-
мерно, то нормы ограничивают расчет-
ную длину фланговых швов не более
85 fifkf.
Наименьшая расчетная длина угло-
вых швов принимается равной четы-
рем катетам шва (4 kf), но не менее
40 мм. Размеры катетов принимаются
по расчету или в зависимости от тол-
щины соединяемых деталей. Катеты
должны быть не более 1,2/, где t—
наименьшая толщина свариваемого
элемента (рис. IV. 7, а), и не меньше
величин, указанных в табл. 38 СНиП
П-23-81.
При прикреплении фланговыми шва-
ми несимметричных сечений (напри-
мер, сечений из уголков) необходимо
учитывать неравномерное распределе-
ние усилий между двумя швами
(рис. IV. 7, б),. Эти усилия распреде-
ляются обратно пропорционально рас-
стояниям от швов до центра тяжести
сечения. Приближенно можно считать,
что центр тяжести уголка проходит
на расстоянии 7з ширины полки от
обушка. Тогда усилие, приходящееся
2
на шов у обушка, будет Ni = -g-V,
а на шов у пера N2 = у N.
IV.4. БОЛТОВЫЕ СОЕДИНЕНИЯ
Болтовые соединения широко при-
меняются прежде всего в монтажных
сопряжениях, которые только в исклю-
чительных случаях рекомендуется сва-
ривать. Основной тип болтовых соеди-
нений конструктивных элементов —
соединение внахлестку или на наклад-
ках. Как правило, используются мно-
гоболтовые соединения. Допускается
также крепление элементов в узлах
одним болтом.
По принципу работы болтовые со-
единения делятся на два вида: соеди-
нения, в которых возникает сдвиг меж-
ду соединяемыми элементами, и сое-
динения, в которых сдвиг между эле-
ментами отсутствует. К соединениям
первого вида относятся соединения на
болтах повышенной точности (ГОСТ
7805-70), нормальной точности (ГОСТ
7798—70) и грубой точности (ГОСТ
15589—70), второго вида — соединения
на высокопрочных болтах.
Болтовые соединения повышенной,
нормальной и грубой точности. Разли-
чие между болтами повышенной, нор-
мальной и грубой точности заключа-
ется в требованиях к точности изго-
товления, плотности постановки в от-
верстия и способам образования
отверстий под болты.
Болты изготавливаются из малоуг-
леродистых сталей марок ВСтЗ, ВСт5
или низколегированных сталей марок
14Г2, 15ГС и других с термообработ-
кой в зависимости от требуемых меха-
нических характеристик. Болты раз-
деляются на классы прочности, кото-
рые обозначаются двумя цифрами: 4.6;
4.8; 5.6; 5.8 и т. д. Первая цифра в
принятом обозначении, умноженная
на 10, означает минимальное времен-
ное сопротивление стали в кН/см2,
вторая, умноженная на 10, — процент-
ное отношение предела текучести к
временному сопротивлению, а произ-
ведение этих двух цифр — предел теку-
чести в кН/см2.
46
Прочность болтовых соединений за-
висит не только от вида болтов, их
материала и материала конструкций,
но и от способа образования отвер-
стий под болты. Существует три спо-
соба образования отверстий: сверле-
ние — лучший способ, обеспечивающий
гладкие края отверстия, хотя и тру-
доемкий; продавливание (прокалы-
вание) в прессах — более технологич-
ней способ, чем сверление, однако
качество кромок отверстий получается
суже из-за появления заусениц, над-
швов и наклепа металла; продавли-
вание на меньший диаметр с после-
дующим рассверливанием до проект-
ного (снимается нарушенный металл,
образовавшийся при продавливании).
Болты грубой точности изготавливал
ются с допуском по диаметру до
±1 мм и ставятся в отверстия с зазо-
ром до 3 мм. Болты нормальной точ-
ности изготавливаются с отклонением
от номинального диаметра до—0,52 мм,
а диаметр отверстий для них прини-
мается на 2 мм больше номинального
диаметра болта. В результате соеди-
нения получаются весьма деформа-
тивными.
Благодаря большим зазорам болты
легко устанавливаются даже при не-
совпадении центров отверстий. Поэто-
му болты грубой и нормальной точно-
сти применяются преимущественно как
временные фиксирующие болты в мон-
тажных сварных соединениях или как
постоянные для крепления второсте-
пенных конструкций, изготавливаемых
из стали с пределом текучести до
380 МПа, при небольших усилиях в
соединениях.
Болты повышенной точности изго-
тавливаются с допуском по диаметру
до —0,3 мм и ставятся в отверстия с
зазором до 0,5 мм. Такие отверстия
получаются: сверлением на проектный
диаметр в собранных элементах; свер-
лением по кондукторам в отдельных
элементах; сверлением или продавли-
ванием на меньший диаметр в отдель-
Рис. IV.8. К расчету болтов (заклепок):
а — по срезу; б — по смятию; 1 — плоскости среза;
2 — расчетные площадки смятия
ных деталях с последующим рассвер-
ливанием до проектного диаметра в
собранных элементах. Высокая плот-
ность установки в отверстия болтов
повышенной точности делает соедине-
ния малодеформативными, хорошо ра-
ботающими на. сдвиг. Однако из-за
трудности обеспечения совпадения от-
верстий между элементами болты по-
вышенной прочности применяются
редко и в настоящее время вытеснены
высокопрочными болтами.
Чаще используются болты классов
прочности 4.6 и 5.6 диаметром 12, 14,
16, 18, 20, 22 и 24 мм. Они выпуска-
ются длиной 40—200 мм.
Соединения на болтах повышенной,
нормальной и грубой точности могут
работать на сдвиг и реже на растяже-
ние.
При сдвиге усилия передаются со
стенки отверстия на стержень болта.
Сдвиг в соединении приводит к пере-
резыванию болта по плоскостям кон-
тактов соединяемых элементов, назы-
ваемых площадками среза (рис.
IV.8, а), а также к смятию стенок
отверстий по площадкам их контакта
со стержнем болта (рис. IV.8, 6).
В зависимости от числа соединяемых
элементов стержень болта может пе-
ререзываться и сминаться в несколь-
ких местах. По количеству площадок
среза болтовые соединения бывают
односрезными, двухсрезными и т. д.
Такая работа болтового соединения
в значительной мере условна, потому
что неточное совпадение отверстий,
неправильности формы отверстий и
47
Таблица IV.4
болтов, а также неодинаковое натя-
жение болтов при заворачивании гаек
приводят к неравномерной работе
многоболтового соединения.
Работа болтовых соединений учи-
тывается расчетными сопротивления-
ми, а также коэффициентами условий
работы. Поэтому сила N, проходящая
через центр тяжести соединения, услов-
но считается распределенной между
всеми болтами поровну.
Расчетное усилие Nb, которое может
быть воспринято одним болтом, опре-
деляется по формулам:
при работе на срез
Nb = RbslbAns- (IV. 12)
при работе на смятие
Nb = RbptbdZt-, (IV. 13)
при работе на растяжение
Nb = RbtAbn. (IV. 14)
В этих формулах: Rbs и Rbt — рас-
четные сопротивления болтов при ра-
боте соответственно на срез и растя-
жение, приведенные в табл. IV.3;
Таблица IV.3
Напря- женное состояние Условное обозначе- ние Расчетные сопротивления, МПа, болтов классов
4.6 4.8 5.6 5.8 6.6 8.8
Срез *bb 150 160 190 200 230 320
Растяже- ние 175 160 210 200 250 400
Rbp— расчетное сопротивление на смя-
тие элементов конструкции, соединяе-
мых болтами (табл. IV. 4); уь—ко-
эффициент условий работы соединения
(табл. IV. 5); А — расчетная площадь
болта, равная лсР/4, принимаемая при
расчете на срез; Аьп — площадь сече-
ния болта нетто, т. е. по резьбе, при-
нимаемая при расчете на растяжение;
ns — число расчетных срезов одного
болта; d — наружный диаметр стерж-
ня болта; S/ — наименьшая суммар-
ная толщина элементов, сминаемых в
одном направлении.
Временное сопротивление стали соединяемый элементов, МПа Расчетное сопротивление Rbp> МПа, смятию элементов, соединяемых болтами
повышенной точности нормальной и грубой точности
345 445 405
365 485 440
380 515 465
430 625 565
450 675 605
470 720 645
490 770 690
510 825 735
530 875 780
570 990 880
590 1045 930
Таблица IV.5
№
п/п
Характеристика соединения
2
Многоболтовое в расчетах на
срез и смятие при болтах:
повышенной точности
грубой и нормальной точ-
ности
Болтовое в элементах конст-
рукций из стали с пределом
текучести до 380 МПа в рас-
чете на смятие
1,0
0,9
0,85
Примечание. Коэффициенты, уста-
новленные в поз. 1 и 2, учитываются одновре-
менно.
Требуемое число болтов п в рассчи-
тываемом многоболтовом соединении
при действии силы N:
n>N/(Nminfc), (IV. 15)
где Nmin — меньшее из значений рас-
четного усилия длй одного болта, оп-
ределенное по формулам IV.12—IV.14;
— коэффициент условий работы,
принимаемый по табл. 6 СНиП 11-23-81.
В практике бывают случаи, когда
один элемент крепится к другому че-
рез прокладки или другие промежу-
точные детали. Число болтов в этом
случае должно быть ' увеличено на
48
10%. При креплении выступающих
полок уголков или швеллеров с по-
мощью коротышей число болтов долж-
но быть удвоено.
Высокопрочные болты. За последние
десятилетия в практику металлостро-
мтельства вошел прогрессивный вид
Соединений на высокопрочных болтах.
(Отличительной особенностью этих сое-
динений является то, что прочность'
достигается не за счет работы стерж-
ней болтов на срез и смятие, а за
счет трения, возникающего между
плоскостями сплачиваемых элементов.
Для этого необходимо болты стянуть
до усилий, которые обеспечили бы пе-
редачу сил, действующих в соединении,
только за счет возникающего трения.
Натяжение болтов для создания не-
обходимого трения должно быть на-
столько большим, что прочность бол-
тов из обычных сталей классов 4.6 и
5.6 оказывается недостаточной. Поэто-
му используют болты классов 8.8 и
10.9 из стали марок 40Х, 40ХФА,
38ХС и др. Кроме того, болты прохо-
дят термическую обработку. Времен-
ное сопротивление болтов из углеро-
дистых сталей должно быть не ниже
800 МПа, а из низколегированных ста-
лей— 1000—1300 МПа.
Закручивают болты специальными
механическими ключами с динамомет-
рами, позволяющими контролировать
натяжение болтов.
Так как прочность соединений на
высокопрочных болтах достигается за
счет трения между соединяемыми пло-
скостями, то очень важным является
повышение коэффициента трения ц,
что осуществляется предварительной
очисткой соединяемых плоскостей раз-
личными способами (например, пнев-
матической обработкой кварцевым пе-
ском, растворами кислот, огневой об-
работкой, ручными или механически-
ми щетками). Коэффициент трения
соединяемых элементов без обработки
равен 0,25 (табл. IV.6). Наиболее эф-
фективны пневматическая и химиче-
ская обработки, при которых р =
= 0,42...0,58. Таким образом, обработ-
ка поверхностей элементов может по-
высить коэффициент трения ц вдвое.
Расчетное сопротивление растяже-
нию одного высокопрочного болта Rbn
определяется из выражения
Rbh = 0,7Rbun, (IV.16>
где Rbun — наименьшее временное со-
противление болта разрыву, прини-
маемое по табл. 61 СНиП 11-23-81.
Расчетное усилие Qbh, которое мо-
жет быть воспринято одной поверх-
ностью трения, стянутой одним высо-
копрочным болтом,
Qbh = RbhlbAbh^/lh, (IV. 17>
где р, — коэффициент трения, принятый
в соответствии с видом обработки и
сплачиваемых поверхностей; ул — ко-
эффициент надежности (табл. IV.6).
Требуемое число п высокопрочных
болтов в рассчитываемом соединении
n>N/(Qbhkic), (IV.18>
где N—расчетное усилие; k — коли-
чество плоскостей трения соединяе-
мых элементов.
Размещение болтов осуществляется
по правилам, устанавливаемым п. 12.
19 СНиП 11-23-81. При конструиро-
вании необходимо стремиться к наибо-
лее простому расположению болтов
только на прямых линиях — так назы-
ваемых рисках, с учетом расположения
головок болтов, шайб и гаек вне за-
круглений прокатных профилей и обес-
печения места под ключ. Риски в про-
катных профилях не могут быть рас-
положены произвольно и назначаются
по специальным таблицам в зависи-
мости от схемы размещения болтов.
При этом каждому профилю соответ-
ствует определенный максимальный
диаметр болта.
Допускается рядовое (в том числе
и однорядовое) и шахматное (рис. IV.
49
Таблица IV,6
Способ обработки поверхностей Способ регулирова- ния натяжения болтов 7/j при нагрузке и при разности номинальных диаметров отверстий и болтов 8, мм
динамической при 8=3 ... 6, статической при 6 =5 ... 6 динамической при 8=1, статической при 8 = 1 ... 4
Пескоструйный, дробеметный и дробе- струйный двух плоскостей без кон- По М 0,58 1,35 1,12
По а 0,58 1,20 1,02
сервации То же, с консервацией, металлизаци- По М 0,50 1,35 1,12
ей распылением цинка или алюминия По а 0,50 1,20 1,02
Газопламенный двух поверхностей По М 0,42 1,35 1,12
без консервации По а 0,42 1,20 1,02
Стальными щетками По М 0,35 1,35 1,17
По а 0,35 1,25 1,06
Без обработки По М 0,25 1,70 1,30
По а 0,25 1,50 1,20
регулирования натяжения болтов соответственно
Примечание. М и а — способы
по моменту и по углу поворота гайки.
9, а, б) размещение болтов. Расстоя- болтов) — дорожкой. Нормами огра-
ние между центрами двух болтов вдоль ничиваются максимальные и мини-
усилия называется шагом, а расстоя- мальные расстояния между центрами
ние поперек усилия (между рядами болтов (табл. IV.7).
Таблица IV,7
Расстояние В, конструкциях
стальных | 1 из алюминиевых 1 сплавов
Между центрами болтов и заклепок в любом направ- лении: минимальное 2,5d* 3d (3,5d для болтов)
максимальное в крайних рядах при отсутствии окайм- ляющих уголков при растяжении и сжатии максимальное в средних рядах, а также в крайних рядах при наличии окаймляющих уголков: 8d или 12/ 5d или 10/
при растяжении 16d или 24/ 12d или 20/
при сжатии От центра болта или заклепки до края элемента: минимальное вдоль усилия минимальное поперек усилия: при обрезных кромках при прокатных или прессованных кромках максимальное минимальное для высокопрочных болтов при любой кромке и любом направлении усилия 12d или 18/ 2d l,5d l,2d 4d или 8/ 1,3d 10d или 14/ 2,5d 2,5d 2d 6d
* В соединяемых элементах из стали с пределом текучести свыше 380 МПа минимальное
расстояние между болтами следует принимать равным 3d. Здесь d—диаметр отверстия для бол-
та; t —толщина наиболее тонкого наружного элемента.
Примечание. В одноболтовых соединениях элементов решетки при толщине полки до 6 мм
из сталей с пределом текучести до 380 МПа расстояние от края элемента до центра отверстия
вдоль усилия допускается принимать l,35d. При этом коэффициент условий работы в формуле
(IV. 13) следует принимать ^ = 0,75.
60
Рис. IV.9. Размещение болтов (заклепок) в
соединениях:
а — рядовое; б — шахматное; в — расчетные сечения
на разрыв; 1 — по зигзагу; 2 — по прямой
При конструировании болты, спла-
чивающие элементы по длине, необхо-
димо ставить, как правило, на макси-
мальных расстояниях, а в стыках и
узлах — на минимальных.
При шахматном расположении бол-
тов расстояние между их центрами
вдоль усилия (шаг) должно быть не
менее а+ l,5d, где а— расстояние меж-
ду рядами поперек усилия. Такое раз-
мещение болтов позволяет при опреде-
лении площади сечения нетто Ап сое-
диняемых элементов учитывать ослаб-
ление отверстиями, расположенными
на прямой, перпендикулярной дейст-
вующему усилию, а не по зигзагу
(рис. IV. 9, в).
Расчет и конструирование заклепоч-
ных соединений не отличается от рас-
чета и конструирования соединений на
болтах повышенной, нормальной и гру-
бой точности и может производиться
в необходимых случаях с использова-
нием старых норм (СНиП II-B.3-72).
Глава V. ПРОЕКТИРОВАНИЕ БАЛОК И БАЛОЧНЫХ КЛЕТОК
Балки — наиболее массовый строи-
тельный элемент. Предназначены для
восприятия нагрузок, приложенных в
пролете, передачи их на опоры и ра-
ботают на поперечный изгиб. Необхо-
димую жесткость на изгиб балке при-
дают горизонтальные элементы
пояса. Сопротивление сечения сдвигу,
возникающему от действия поперечных
сил, обеспечивает соединяющая пояса
вертикальная стенка.
По статической схеме балки могут
быть однопролетными, многопролетны-
ми разрезными и неразрезными, кон-
сольными,
V.I. ТИПЫ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ БАЛОК
С точки зрения расхода материала
наиболее выгодна двутавровая фор-
ма сечения балок.
Различают следующие типы балок:
Прокатные балки — чаще всего дву-
тавры с параллельными или наклон-
ными внутренними гранями полок
(рис. V.1, а).
Применяются также горячекатаные
или гнутые одиночные и спаренные
швеллеры (рис. V.1, б). Прокатные
балки используются обычно при не-
больших пролетах (до 6 м)«
51
Рис. V.l. Типы сечений балок:
а — прокатные сечения из одиночных элементов; б —
то же, из спаренных элементов; в — составные свар-
ные; г— составные на высокопрочных болтах; д —
двух стен чатые; е — развитие из прокатных двутавров;
1 — стенка; 2 — полка; 3 — пояс
Составные сварные одностенчатые
балки, в которых пояса соединяются
со стенкой сварными швами (рис.
V.1, в), применяются тогда, когда не-
сущая способность или жесткость про-
катных балок недостаточна.
Составные одностенчатые балки, в
которых пояса соединяются со стенкой
высокопрочными болтами (рис. V.1, г),
хорошо работают при действии боль-
ших динамических нагрузок.
Составные двухстенчатые (коробча-
тые) балки (рис. V.1, д) обладают
пространственной жесткостью и хоро-
шо работают на кручение. Применя-
ются в основном в конструкциях подъ-
емно-транспортного оборудования.
Балки с перфорированной стенкой
(рис. V.1, е) конкурируют с составны-
ми при сравнительно небольших на-
грузках, когда поперечная сила в се-
чениях невелика.
Генеральными размерами балок яв-
ляются пролет I — расстояние между
центрами опор — и высота сечения h
(рис. V.2). Пролеты балок устанавли-
ваются исходя из архитектурно-пла-
нировочных решений зданий и соору-
жений. Высота назначается при расче-
те балок в зависимости от пролета,
нагрузки, прочности материала и за-
данного допустимого прогиба по сооб-
ражениям минимальных затрат ме-
талла.
V.2. основы компоновки
БАЛОЧНЫХ КЛЕТОК ( /
Балочная клетка представляет собой
систему балок одного или нескольких
направлений. Балочные клетки устра-
иваются в перекрытиях и покрытиях
зданий, на рабочих площадках под
технологическое оборудование, в про-
летных строениях мостов и т. д. На
балочную клетку укладывается несу-
щий настил — железобетонный, сталь-
ной или деревянный.
Схему балочной клетки выбирают
в зависимости от значения и схемы
расположения нагрузок, а также от
типа настила. При этом исходят из
условия минимальной стоимости кон-
струкций и минимальной строительной
высоты перекрытия или покрытия, так
как излишняя строительная высота
влечет за собой увеличение общей вы-
соты здания и рост расходов на стены
и отопление.
По схеме компоновки в плане раз-
личают три типа балочных клеток:
1) упрощенный тип (рис. V.3, а) при
использовании балок 1 одного направ-
ления; 2) нормальный тип (рис. V.3, б)
при использовании балок двух направ-
лений— главных балок /, перекрыва-
ющих основной пролет, и опирающихся
на них балок настила 2, предназначен-
ных для уменьшения пролета рабочего
настила; 3) усложненный тип (рис.
V.3, в) с дополнительными вспомо-
гательными балками 3, служащими
для уменьшения пролета балок на-
стила 2.------
При компоновке балочной клетки по
вертикали используют этажное сопря-
52
Рис. V.3. Схемы расположения балок в балочных клетках:
а — упрощенная; б — нормальная; в — усложненная; г — этажное сопряжение; д — сопряжение в одном уровне;
в —пониженное сопряжение; ж — к определению нагрузки на балку; / — главные балки; 2 — балки настила;
3 — вспомогательные балки; 4 —грузовая площадь для балки Б-1; 5—то же, для балки Б-2
жение балок (рис. V.3, г), сопряжение
в одном уровне (рис. V.3, д), или по-
ниженное сопряжение (рцс. V.3, е).
Конструкция этажного сопряжения
наиболее проста, но ведет к увеличе-
нию строительной высоты перекрытия
(покрытия). Пониженное сопряжение
применяется в усложненном типе ба-
лочных клеток.
Строительная высота перекрытия
(покрытия) h0 включает высоту глав-
ных балок, балок настила (при их
этажном опирании на главные балки),
толщину рабочего настила, толщину
пола (рис. V.3).
Расстояние между балками насти-
ла (шаг балок) назначается исходя
из условия полного использования
несущей способности настила и ба-
лок с учетом стандартных размеров
железобетонных плит или листовой
стали.
V.3. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
РАСЧЕТА БАЛОК
Расчет балок состоит из следующих
основных этапов.
1. Сбор нормативных и расчетных
нагрузок на балку. Если на перекрытие
(покрытие) действует равномерно рас-
пределенная нагрузка g, кН/м2, то
нагрузка на метр длины балки собира-
ется с соответствующей грузовой по-
лосы шириной ai или а2 (рис. V.3, ж):
q = ga, кН/м. В балочных клетках нор-
мального и усложненного типа опре-
деление нагрузок начинают с балок
настила. Опорные реакции вышележа-
щих балок служат нагрузками для
нижележащих.
2. Определение максимальных уси-
лий в сечениях балки от действия рас-
четных нагрузок — изгибающего мо-
мента Мщах и поперечной СИЛЫ Qmax,
53
а также максимального изгибающего
момента от действия нормативных на-
грузок Мп, таХ.
3. Подбор сечений, который осуще-
ствляется исходя из требований обес-
печения прочности и жесткости балок
при минимальных затратах металла.
Сечения прокатных балок подбираются
по сортаменту профильного проката.
Сечения составных балок компонуют-
ся из листов универсальной стали,
имеющих прокатные кромки. Для пре-
дотвращения местного выпучивания
тонких листов, из которых образуется
сечение составной балки, отношение
ширины листов к их толщине не долж-
но превышать установленных нормами
значений.
4. Проверка прочности балки (рас-
чет по I группе предельных состояний),
которая заключается в том, чтобы
напряжения, вызванные действием
усилий Л4тах и Qmax, местные напря-
жения, возникающие под сосредото-
ченными силами, а также комбинации
всех этих напряжений не превышали
расчетных сопротивлений металла.
5. Проверка прогиба балки от дей-
ствия нормативных нагрузок (расчет
по II группе предельных состояний) и
сравнение его с допустимым по нормам
прогибом.
6. Проверка общей устойчивости
балки, т. е. условия сохранения балкой
плоской формы при изгибе.
7. Проверка и обеспечение местной
устойчивости стенки и сжатого пояса.
8. Расчет деталей — соединений по-
ясов со стенкой (только для состав-
ных балок), ребер жесткости, укреп-
ляющих стенку, монтажных стыков.
V.4. РАСЧЕТ ПРОКАТНЫХ БАЛОК
Подбор сечения прокатных балок
заключается в выборе необходимого
номера профиля по сортаменту.
Требуемый момент сопротивления
№Тр определяется для балок, работа-
ющих в упругой стадии, по формуле
(III.25), а для балок, работа которых
допускается при развитии пластических
деформаций,—по формуле (III.26).
По полученному значению №тр выби-
рают по сортаменту номер профиля
так, чтобы его момент сопротивления
был не меньше требуемого.
Проверка прочности. Проверять се-
чения на действие максимального из-
гибающего момента требуется только
для прокатных балок, работающих с
учетом развития пластических дефор-
маций, поскольку коэффициент Ci при
подборе сечения по формуле (III.26)
предварительно задавался приближен-
ным. После того как номер профиля
выбран, коэффициент Ci определяется
в соответствии с п. 5.18 СНиП П-23-81.
Затем сечение проверяют по формуле
(III.14).
Прочность сечения на действие мак-
симальной поперечной СИЛЫ Qmax про-
веряют по формуле (III.15). Для ба-
лок, работающих за пределом упруго-
сти, в тех сечениях, где изгибающие
моменты равны нулю, допускается
проверка по формуле (III.16).
В случае приложения к верхнему
поясу балки сосредоточенных сил, на-
пример при этажном сопряжении балок
(рис. V.4, а), стенка балки, не укреп-
ленная в этих местах ребрами, при-
торцованными к поясу, проверяется на
прочность от местного сжатия по фор-
муле
aioc ~ Rtf с, (V.1)
где aioc — местные напряжения; F — со-
средоточенная сила; tw — толщина стен-
ки балки; lef — условная длина распре-
деления силы, определяемая по выра-
жению
lef = Ь + 2tf (V.2)
(здесь tf — расстояние от грани полки
до начала внутреннего закругления
стенки прокатной балки, рис. V.4, а).
Если под сосредоточенными силами
стенка укреплена плотно подогнанны-
ми к верхнему поясу ребрами жестко-
Рис. V.4. Передача сосредоточенной силы на
стенку:
а — при отсутствии ребер жесткости; б — через ребра
жесткости
сти (рис. V.4, б), то местные напряже-
ния на краю стенки по формуле (V.1)
не проверяют, так как сосредоточенная
сила будет передаваться на торцы
ребер, а затем распределяться по се-
чению балки через сварные швы, при-
крепляющие ребра жесткости к стенке.
Проверки нормальных напряжений
при изгибе о по формуле (III.14), ка-
сательных напряжений т по формулам
(III.15) или (III.16) и напряжений
при местном сжатии oioc по формуле
(УЛ) производятся в тех точках бал-
ки, где каждое из этих напряжений
достигает наибольшего значения.
В некоторых случаях необходимо
проверять прочность на краях стенки
в тех сечениях балки, где напряжения
а, т и cioc действуют совместно и одно-
временно достигают достаточно боль-
шого значения. Такую проверку необ-
ходимо производить в местах измене-
ния сечения балки, в сечениях под
сосредоточенными силами и над про-
межуточными опорами неразрезных
балок по формуле
= 1*/"<*х— Wy 4" ау Ч~ 1,15/?^,
(V.3)
где Cred — приведенные напряжения (см.
§ 1.1); ax^MhwliJn — нормальные на-
пряжения на краях стенки от изгиба;
<зу = хху = Q/(tJiw) — средние каса-
тельные напряжения в рассматриваемом
сечении.
Проверка прогиба балки заключа-
ется в том, чтобы обеспечить выпол-
нение предельного неравенства (II.4),
в левую часть которого подставляется
наибольший прогиб, возникающий в
середине пролета от действия норма-
тивных нагрузок, а в правую -=- прогиб,
допускаемый по нормам.
Поскольку абсолютный прогиб не
характеризует деформативность балки
однозначно (при одном и том же про-
гибе кривизна короткой балки будет
больше, чем длинной), нормами огра-
ничивается отношение прогиба к рас-
четному пролету [f/l], Значения отно-
сительного прогиба [f/l], нормируемые
для балок различного назначения, при-
ведены ниже:
Элементы конструкций
Относитель-
ные прогибы
элементов
(к пролету /)
Балки и фермы крановых путей
под краны:
легкого режима работы (включая
ручные краны, тельферы и тали) 1/400
среднего режима работы 1/500
тяжелого и весьма тяжелого режи- 1/600
мов работы
Балки рабочих площадок произ-
водственных зданий при наличии
рельсовых путей:
ширококолейных 1/600
узкоколейных 1/400
Балки рабочих площадок произ-
водственных зданий при отсутствии
рельсовых путей и балки между-
этажных перекрытий:
главные балки 1/400
прочие балки и косоуры лестниц 1/250
стальной настил 1/150
55
Балки и фермы покрытий и чер-
дачных перекрытий:
несущие подвесное подъемно-транс-
портное или технологическое обо-
рудование 1/400
не несущие подвесное оборудование 1/250
прогоны 1/200
профилированный настил 1/150
Примечания. 1. Для консолей следует
принимать пролет /, равный удвоенному вылету
консоли. 2. При наличии штукатурки прогиб
балок перекрытий только от кратковременной
нагрузки не должен превышать 1/350 длины
пролета.
Таким образом, предельное неравен-
ство (II.4) для балок имеет вид
/шах// < [///]• (V.4)
Прогибы fmax определяются для раз-
личных видов загружений по извест-
ным формулам сопротивления мате-
риалов. Для однопролетных балок при
всех видах загружений прогиб можно
вычислять по формуле
/max = Mn/2/(10£Z), (V.5)
где Мп — максимальный изгибающий
момент от нормативных нагрузок; Е—
мъкулъ упругости материала; I — мо-
мент инерции сечения балки.
Если какая-либо из проверок проч-
ности (III.14), (III.15), (V.1) или про-
верка жесткости (V.4) не выполняется,
то принимают по сортаменту профиль
большего сечения.
Помимо прочности и жесткости про-
катных балок, должна обеспечиваться
их общая устойчивость (см. § V.7).
V.5. БАЛКИ ИЗ РАЗВИТЫХ
ПРОКАТНЫХ ДВУТАВРОВ
Такие балки, называемые балками
с перфорированной стенкой, получа-
ются разрезкой стенки исходного про-
катного двутавра зигзагообразной ли-
нией и последующей сваркой обеих
половин выступающими гребнями вме-
сте (рис. V.5, а). Высота балки, а сле-
довательно, момент инерции и момент
сопротивления сечения при этом воз-
Рис. V.5. Схема образования балок с перфори-
рованной стенкой:
а — схема раскроя исходного двутавра; б — способ
увеличения высоты сечения
растают, что значительно увеличивает
ее жесткость и несущую способность
(при условии, что касательные напря-
жения в сечениях невелики) по срав-
нению с исходным прокатным двутав-
ром при сохранении той же площади
сечения.
В зарубежной практике, где двутав-
ры с перфорированной стенкой исполь-
зуются в междуэтажных перекрытиях
высотных зданий, применяется и более
сложная конструкция балок, в кото-
рой высота дополнительно увеличива-
ется за счет вварки листов между вы-
ступающими гребнями (рис. V.5, б).
Расчетная схема балок с перфори-
рованной стенкой представляет собой
раму (безраскосную ферму), имеющую
жесткое сопряжение стоек с поясами.
При расчете таких балок предполага-
ется, что в средних сечениях панелей
поясов и стоек изгибающие моменты
равны нулю, т. е. в этих сечениях рас-
полагаются условные шарниры (рис.
V.6, а). Напряжения проверяются в
сечениях балки, ослабленных отвер-
стиями, в точках 1 и 2 (рис. V.6, б).
Напряжения в точке 1
« = ^ + 4-2^—<V-6>
‘х л 1,тах
56
Рис. V.6. К расчету балок с перфорированной
стенкой:
а — расчетная схема балки как составного стержня;
б — характерные точки сечения 1 и 2 для проверки
напряжений в балке
а в точке 2:
0 = : + Q.. а < . (у 7)
1 х z l,mln
В этих выражениях М — изгибающий
момент в сечении балки; 1Х — момент
сечения балки с отверстием; Q—по-
перечная сила в сечении балки; U^i.max
И Wi,mhi наибольший и наименьший
моменты сопротивления таврового се-
чения.
Перфорированную балку асиммет-
ричного сечения с более развитым
верхним поясом можно получить свар-
кой двух частей, вырезанных из дву-
тавров различной высоты.
Изготавливают также перфориро-
ванные балки с переменной высотой
поперечного сечения, что позволяет пе-
рераспределять материал по длине
элемента в соответствии с характером
распределения усилий. Такие балки
получают разрезкой стенки исходного
двутавра зигзагообразной линией по
диагонали и сваркой обеих частей
большими выступающими частями
вместе (рис. V.7, а). Развитые двутав-
ры с переменной высотой сечения при-
меняются, например, в трехшарнирных
рамах одноэтажных сельскохозяй-
ственных производственных зданий
(рис. V.7, б). Как видно, конструктив-
ная форма соответствует характеру
изменения эпюры изгибающих момен-
тов. Из элементов с переменной высо-
той поперечного сечения могут быть
также образованы балки, имеющие
увеличенную высоту в середине про-
лета (рис. V.7, в).
V.6. РАСЧЕТ СОСТАВНЫХ
СВАРНЫХ БАЛОК
Если подбор сечения прокатной бал-
ки заключается в выборе по сортамен-
ту требуемого номера профиля, то под-
бор сечений составных балок представ-
ляет собой задачу более сложную, так
как при этом требуется найти все
размеры сечения, указанные на рис.
V.8, а.
Подбор сечения составных ба-
лок, так же как и прокатных, начина-
ется с вычисления требуемого момента
сопротивления сечения №тр по форму-
ле (III.25), если балка работает упру-
го, или по формуле (III.26), если в
балке допускаются пластические де-
формации.
Основным параметром сечения, оп-
ределяющим экономичность балки,
является высота h. Высота балки вы-
бирается из следующих условий з
1) обеспечения заданной жесткости
балки. Этому условию соответствует
минимальная высота необходи-
мая для обеспечения заданного отно-
сительного прогиба [f/l]; 2) мини-
мальных затрат металла при обеспе-
чении необходимой несущей способно-
сти балки. Этому условию отвечает
назначение оптимальной (по затратам
металла) высоты hopt.
В отдельных случаях могут быть
ограничены габариты конструкции по
высоте. Тогда при выборе высоты
балки используется дополнительное
третье условие, по которому высота не
может быть принята большей некото-
57
6
Рис. V.7. Перфорированные элементы с переменной высотой сечения:
в —схема образования элемента; б — рамная конструкция; в — подкрановая балка
рой заданной по условиям габарита
Лтах«
Минимальную высоту hmin из усло-
вия жесткости можно определить:
1) приближенно по табл. V.1 в за-
висимости от заданного относительно-
го прогиба. Как видно из таблицы,
высота балки растет с увеличением
жесткости балки.
Для большинства балок жилых, об-
щественных и производственных зда-
ний относительный прогиб задается в
пределах 1/400... 1/250 пролета, поэтому
обычно ftmin составляет 1/15...1/25 про-
Таблица VJ
/// 1/1000 1/700 1/600 1/500 1/400 1/250 1/200
1/6 1/8 1/10 1/12 1/15 1/25 1/30
Рис. V.8. Компоновка сечения составной балки:
а — схема симметричного сечения; б — к определению
оптимальной высоты сечения
лета; 2) аналитически, используя фор-
мулы сопротивления материалов для
прогиба балок. При этом исходят из
работы балки при равномерно распре-
деленной нагрузке.
Так как прогиб балки при равно-
мерно распределенной нагрузке опре-
деляется по формуле
f 5 Яп1*
' 384 ’ Е1 ’
.а изгибающий момент М = oIF = Sal/h
то с учетом того, что Мп = qnl2l^ вы-
58
ражение для относительного прогиба
можно записать в следующем виде:
1^ = &-^7 = я-4-
Так как нужна минимальная высота
балки, обеспечивающая заданную же-
сткость при условии полного использо-
вания прочности материала, то, при-
нимая в выражении (V.8) 0=^, по-
лучим
= <V-9)
Поскольку расчет прогиба (II предель-
ное состояние) ведется по норматив-
ным нагрузкам, а напряжения дости-
гают расчетных сопротивлений Ry при
действии расчетных нагрузок, т. е.
нормативных, умноженных на коэф-
фициенты надежности по нагрузке 37,
то высота балки по формуле (V.9)
получится несколько завышенной. По-
этому расчетное сопротивление Ry в
формуле (V.9) нужно понизить на ве-
личину отношения расчетных и норма-
тивных нагрузок:
Рп ~Ь Яп _ Рп Яп __ 1
Р + Я ~ РпЪ.р + Яп^-^а
где р и q — соответственно постоянные
и временные нагрузки; ^tP и — ко-
эффициенты надежности по нагрузке
для постоянных и временных нагрузок;
— осредненное значение коэффици-
ента надежности по нагрузке. Тогда
выражение для определения минималь-
ной высоты примет окончательный вид
е R I
Л-п = (V.10)
После того как получена высота
сечения балки из условия жесткости,
определяют оптимальную высоту h0Pt
из условия минимальных затрат ме-
талла, т. е. минимальной площади се-
чения балки.
При увеличении высоты балки мас-
са стенки возрастает, а масса поя-
сов gf убывает. Зависимость массы
стенки и поясов от высоты балки по-
казана на рис. V.8, б. Условию проч-
ности будет удовлетворять составная
балка любой высоты, однако затраты
металла будут разными. Зависимость
суммарных затрат металла на стенку
и пояса от высоты балки подчиняется
кривой g, имеющей минимум в точке
пересечения кривых gw и gf, т. е. при
равенстве массы (или площади) стенки
и поясов. Этому минимуму соответ-
ствует оптимальная по затратам ме-
талла высота балки.
Оптимальная высота сечения свар-
ных балок может быть определена из
выражения
Ам=1,12/Г^ (V.11)
где №тр — требуемый момент сопро-
тивления сечения, определенный по
формулам (III.25) или (III.26).
Толщиной стенки tw, входящей в
формулу (V.l 1), приходится задавать-
ся предварительно. Толщина стенки
связывается с ее высотой отношением
X® — hwltwi
(V.12)
которое называется гибкостью стенки.
Гибкость стенки ограничивается усло-
вием ее местной устойчивости. Обычно
Хо/=120...180. Для предварительного
назначения толщины tw можно пользо-
ваться табл. V.2,
Таблица V.2
Высота балки* м Толщина стенки tWf мм Г ибкость стенки lw
0,8 8—6 100—133
1,0 10—8 100—125
1,25 10—9 125—140
1,5 12—10 125—150
1,75 14-12 125—146
2,0 14 143
2,5 16—14 156—178
3,0 18—16 166—187
4,0 20 200
5,0 24—22 208—227
69
В последнее время применяют балки
с Xw, равной 250...600, которые назы-
вают балками с гибкой стенкой. Рас-
чет балок с гибкой стенкой отличается
от расчета обычных балок.
Так как масса балки в точке мини-
мума кривой g (см. рис. V.8, б) при
изменении высоты балки практически
остается постоянной (отклонение от
оптимальной высоты на 20 % влечет
перерасход металла всего в пределах
5 %), то значение высоты балки, полу-
ченное по формуле (V.11), рекомен-
дуется принимать меньшим на 10—
20%.
После того как определены требуе-
мая минимальная высота балки из
условия жесткости Лппп и наиболее
экономичная высота по затратам ме-
талла hopt, в качестве высоты h балки
для дальнейшей компоновки сечения
принимается большая из них.
Высота стенки hw назначается исхо-
дя из принятой высоты сечения балки
h. Так как для составных сечений сле-
дует применять широкополосную уни-
версальную сталь, имеющую прокат-
ные кромки, то высоту стенки и шири-
ну поясов необходимо увязывать с сор-
таментом этой стали (Прил. 6). По-
этому в качестве высоты стенки при-
нимается ширина листа по сортаменту,
ближайшая к размеру h, обычно с
округлением в меньшую сторону.
Толщина стенки выбирается из двух
условий: устойчивости стенки и проч-
ности на срез от действия поперечной
силы Qmax. Толщина стенки, мм, может
быть предварительно принята по
табл. V.2 или по эмпирической фор-
муле
== (7 + ЗЛ), (V.13)
где высота h принимается в метрах.
Толщина стенки при работе на срез
определяется в сечении с наибольшей
поперечной силой по формуле
tw — 1 >5Qmax/(^w/?sTc)* (V.14)
Площадь сечения поясов определяют,
исходя из той части момента инерции
сечения балки, которая должна воспри-
ниматься поясами. Так как момент
инерции сечения балки 7= 1FA/2, то
часть момента инерции, приходящаяся
на пояса, 'lf = l—fo = Wh/2 — tjitl 12.
Здесь Iw— часть момента инерции, вое-
принимаемая стенкой. Момент инерции
поясов в сечении симметричной балки
может быть также представлен как
If = 2Af (h/2)2, где Af — площадь сече-
ния одного пояса. Приравнивая правые
части этих выражений, получим пло-
щадь сечения одного пояса
Л^0,75^/й. (V.15)
Конструктивно ширина пояса прини-
мается
b = (1/4 .. . 1/5)Л. (V.16)
Тогда толщина пояса
tf = Af/b. (V.17)
Определение размеров поясов с ис-
пользованием соотношений (V.15) —
(V.17) может рассматриваться как
предварительное. Решающую роль при
назначении размеров сечений поясов
играет условие обеспечения их местной
устойчивости. Потеря местной устой-
чивости может произойти в сжатом
поясе.
Исходя из требований местной устой-
чивости отношение свободного свеса
пояса &^ = 0,5(6— tw) к его толщине
tf ограничивается при работе балки в
пределах упругих деформаций условием
^<o,5/w&. (V.18)
а при развитии пластических деформа-
ций — условием
bef/tf < Oflihef/tu,, но не более
0,5/Ё/Т^: (V.19)
Здесь hef — расчетная высота стенки
балки, принимаемая для сварных балок
равной ее геометрической высоте (см.
рис. V.8, а).
60
Конструктивно ширина поясов долж-
на приниматься не менее 180 мм по
условиям обеспечения опирания вы-
шележащих балок или прикрепления
настилов.
Проверки прочности подоб-
ранного сечения выполняются так же,
как и для прокатных балок, по наи-
большим нормальным, касательным и
местным напряжениям по формулам
(III.12) либо (III.14), (III.15) либо
(III.16), (V.1), а также по приведен-
ным напряжениям с использованием
формулы (V. 3) на краях стенки: в
местах под сосредоточенными силами,
в местах изменения сечений поясов,
над промежуточными опорами нераз-
резных балок. При этом для составных
балок в формуле (V.2) в качестве tf
принимается толщина верхнего пояса.
Проверка жесткости выпол-
няется так же, как и для прокатных
балок, с использованием формул (V.4),
(V.5).
Если для прокатных балок все гео-
метрические характеристики сечения,
используемые в проверках прочности
и жесткости, принимаются из таблиц
сортамента, то для составных сечений
их необходимо вычислять. Вычисление
момента инерции сечения I, момента
сопротивления крайнего волокна сече-
ния балки U^min и статического момен-
та половины сечения 5 двутавра отно-
сительно нейтральной оси х— х (см.
рис. V.8, а) выполняется для симмет-
ричного двутавра по следующим фор-
мулам:
7 = /X/12 + 2Afa2; (V.20)
Wmln = 2//b, (V.21)
где h = ha> + 2/j;
5 = Л,а + /Х/8. (V.22)
Здесь Af — площадь сечения одного
пояса балки; а — расстояние от центра
тяжести сечения пояса до нейтральной
оси сечения балки.
V.7. ОБЕСПЕЧЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ
БАЛОК
Запроектированная с соблюдением
условий прочности и жесткости метал-
лическая балка может потерять несу-
щую способность в результате общей
или местной потери устойчивости.
Общая потеря устойчивости может
возникнуть в узких и длинных балках,
не закрепленных от смещения в гори-
зонтальной плоскости в уровне сжато-
го верхнего пояса. При этом балка те-
ряет плоскую форму и начинает ра-
ботать не только на изгиб в вертикаль-
ной плоскости, но и на изгиб в гори-
зонтальной плоскости и на кручение
(рис. V.9, а).
Для предотвращения общей потери
устойчивости сжатый пояс балки дол-
жен быть закреплен от горизонтальных
смещений с помощью связей (рис.
V.9, б) или приваркой укладываемого
рии V.9. Схема потери общей устойчивости ба;
а—при отсутствии связей в пролете; б — при наличии
промежуточных связей сжатого пояса
6)
на пояс настила. Устойчивость балки,
раскрепленной связями, зависит от
расстояния между точками закрепле-
ния сжатого пояса и его ширины. Нор-
мами устанавливаются предельные от-
ношения свободной длины сжатого
пояса между точками закрепления let
к его ширине Ьу при которых устойчи-
вость не теряется. Предельные отно-
шения let/& зависят и от того, к какому
поясу (верхнему или нижнему) прило-
жена нагрузка. Значения этих отно-
шений определяются по формулам
табл. 8 СНиП П-23-81.
Если сжатый пояс не раскреплен не-
прерывно опирающимся сплошным
жестким настилом или отношение leflb
больше допустимого, то необходимо
проверить балки на общую устойчи-
вость в соответствии с п. 5.15 СНиП
П-23-81 по формуле
Мтах/(?61Г) < (V.23)
где фь — коэффициент, меньший еди-
ницы, так же, как и при продольном
изгибе, является отношением критиче-
ских напряжений общей потери устой-
чивости к пределу текучести материа-
ла балки и определяется по прил. 7
СНиП П-23-81.
Местной потерей устойчивости назы-
вают выпучивание тонких пластинок,
составляющих профиль балки. Местная
потеря устойчивости может предше-
ствовать общей потере устойчивости
балки или происходить с ней одновре-
менно. Целесообразно, чтобы оба ви-
да потери устойчивости наступали
одновременно.
Местная потеря устойчивости пояса
может произойти при действии сжи-
мающих напряжений (рис. V.10),
Устойчивость сжатого пояса обеспечи-
вается при подборе его сечения огра-
ничением отношения расчетного свеса
пояса к его толщине по условиям
(V.18) или (V.19).
Местная потеря устойчивости стенки
может происходить от действия нор-
62
Рис. V.10. Схема потери местной устойчивости
сжатого пояса
мальных сжимающих, касательных и
местных напряжений (под сосредото-
ченными силами). Для обеспечения
устойчивости стенку укрепляют систе-
мой поперечных и продольных ребер
жесткости, которые располагают сим-
метрично по обе стороны стенки балки
(парные ребра жесткости) или только
с одной стороны стенки (односторон-
ние ребра жесткости). Ребра жестко-
сти разделяют стенку на отдельные
прямоугольные отсеки, устойчивость
которых проверяется в соответствии с
требованиями пп. 7.4—7.9 СНиП II-
23-81.
Проверять отсеки стенок балок на
устойчивость не нужно, * если условная
гибкость стенки \w = -Д-КRy/E не пре-
вышает: 3,5 — при отсутствии в балках
с двусторонними поясными швами
местных напряжений; 3,2 — то же, в
балках с односторонними поясными
швами; 2,5 — при наличии местных на-
пряжений в балках с двусторонними
поясными швами. Во всех остальных
случаях расчет стенки на устойчивость
обязателен.
Система ребер жесткости может со-
стоять: только из поперечных основ-
ных ребер, укрепляющих стенку по
всей высоте (рис. V.11, а); из основ-
ных поперечных ребер и из продольных
ребер, расположенных на расстоя-
нии Vs высоты балки от сжатого поя-
са, а по длине балки — в зоне дей-
ствия больших изгибающих моментов
6
Рис. V.11. Укрепление стенки балки ребрами жесткости, расположенными:
а — по всей высоте стенки; б—по всей высоте и частично по длине стенки; в —по высоте сжатой зоны и час-
тично по длине стенки; а, д — опорные ребра жесткости; 1 — поперечные основные ребра; 2 —- продольные ребоа*
3 — промежуточные ребра; 4 — опорные ребра к р '
(рис. V. 11» б); из поперечных основ-
ных, продольных и поперечных корот-
ких (промежуточных) ребер, располо-
женных между сжатым поясом и про-
дольным ребром (рис. V.1M).
Расстояние между основными попе-
речными ребрами не должно превы-
шать 2 h при условной гибкости стен-
ки %®>3,2 и 2,5 h — при условной гиб-
кости стенки Хда<3,2, где h — высота
балки. Поперечные ребра жесткости
рекомендуется размещать по длине
балки так, чтобы они попадали под
сосредоточенные силы. В этом случае
в стенке не будут возникать местные
напряжения.
Продольные ребра обычно применя-
ются в высоких балках при условной
гибкости стенки Xw>6.
Ребра жесткости сварных балок из-
готавливают из полосовой стали. Их
размеры принимаются следующими:
ширина парного ребра, мм,
бл>Ле//30 + 40; (V.24)
ширина одностороннего ребра, мм».
bh > hef/24 + 50; (V.25)
толщина ребра
t > 2bhVRjE. (V.26>
Поперечные ребра жесткости, распо-
ложенные в опорных сечениях балки
и участвующие в передаче опорных
реакций, называются опорными ребра-
ми жесткости (рис. V.ll,e, б).
Опорные ребра вместе с примыкаю-
щими участками стенки работают как
сжатые стойки с шарнирными конца-
ми, загруженные опорными реакциями.
Длина стойки принимается равной вы-
соте балки. В состав условного сече-
ния стойки включаются участки стен-
ки, примыкающие к опорному ребру,
ширина которых принимается не бо-
лее 0,65 twyE/Ry.
Опорные реакции передаются на
ребра через нижние торцы. Поэтому
последние должны быть фрезерован-
63-
ними, плотно пригнанными к нижне-
му поясу балки. Площадь сечения реб-
ра, необходимая для восприятия опор-
ной реакции F торцевой поверхностью,
определяется по формуле
Ah = (V.27)
где Rp — расчетное сопротивление смя-
тию торцевой поверхности.
Условная сжатая стойка, в состав
сечения которой входят ребро и при-
мыкающие участки стенки, должна
быть проверена на продольный изгиб
из плоскости балки по формуле
(III.11),
V.8. РАСЧЕТ СОЕДИНЕНИЙ ПОЯСОВ
СО СТЕНКОЙ В СВАРНЫХ БАЛКАХ
Расчет соединений поясов заключа-
ется в определении катетов непрерыв-
ных швов, соединяющих пояса балки
со стенкой. Угловые швы должны
воспринимать сдвигающую силу, ко-
торая возникает на краю стенки
(рис. V.12, а).
Касательные напряжения в месте
соединения стенки с поясом определя-
ются по формуле
__ Стах5/
Itw ’
где S/ — статический момент сечения
пояса относительно нейтральной оси
сечения балки.
(V.28)
Рис. V.12. Работа соединений поясов со стенкой:
а —схема работы соединения на сдвиг; б —к опреде-
лению сдвигающих усилий
Сдвигающая сила Т, действующая
на 1 см длины двусторонних сварных
швов, получается приведением каса-
тельных напряжений, равномерно рас-
пределенных по толщине стенки, к со-
средоточенному, усилию (рис. V.12, б):
T = xtw = (V.29)
Пояса к стенке крепятся, как пра-
вило, двусторонними швами, и каж-
дым швом воспринимается сила 772.
Поэтому высота катетов угловых швов
(при отсутствии местных напряжений
о/ос) при расчете по металлу шва
= Tl^fRwnw^ (V.30)
а при расчете по границе сплавления
kf = Tl(2^RwAwAc). (V.31)
Таблица V.3
Вид соединения Вид сварки Предел текучести стали МПа Минимальные катеты швов, мм, при толщине более Толстого из сварочных элементов мм
4-5 | 6-10 11-16 17—22 23-32 33-40
Тавровое с'двусторон- Ручная До 430 4 5 6 7 8 9
ними швами, нахлес- точные и угловые Свыше 430 5 6 7 8 9 10
Автоматическая и До 430 3 4 5 6 7 8
и полуавтоматиче- ская Свыше 430, до 580 4 5 6 7 8 9
Тавровое с односто- Ручная До 380 5 6 7 8 9 10
ронними угловыми швами Автоматическая й и полуавтоматиче- ская До 380 4 5 6 7 8 9
€4
В этих формулах значения рг, Rwh
RWZi 7wh T»z—величины, приведенные
в § IV.3? .
Высоту катетов поясных швов сле-
дует определять по наибольшему зна-
чению поперечной силы Qmax и прини-
мать постоянной по всей длине балки.
В табл. V.3 даны значения катетов
швов, минимально допустимые при
различных толщинах поясов сварных
двутавровых балок.
Односторонние поясные швы- приме-
няются только для балок, несущих
симметричную статическую нагрузку
при наличии поперечных ребер жест-
кости в местах приложения сосредото-
ченных сил, включая нагрузку от реб-
ристых железобетонных плит. Общая
устойчивость таких балок должна быть
обеспечена непрерывным прикрепле-
нием по всей длине балки жесткого
настила. Применение односторонних
сварных швов не допускается для кон-
струкций, эксплуатируемых в средне-
и сильноагрессивных средах.
V.9. СТЫКИ И ОПОРНЫЕ ЧАСТИ БАЛОК
Различают два вида стыков балок:
заводские стыки, осуществляемые на
заводе-изготовителе металлических
конструкций; монтажные стыки, кото-
рые выполняются в условиях строи-
тельной площадки.
К заводским стыкам прибегают в
том случае, если длина металлопрока-
та оказывается меньше длины изго-
тавливаемых элементов. Монтажные
а б
Рис. V.13. Заводские стыки прокатных балок:
«—соединение встык; б — соединение на накладкх
стыки устраивают при необходимости
членения конструкций на отправочные
части, размеры которых ограничивают-
ся условиями транспортирования и
грузоподъемностью монтажных меха-
низмов.
Стыки прокатных балок осуществля-
ются сравнительно редко, так как про-
катные балки в большинстве случаев
имеют пролеты меньшие, чем длина
проката. Стыки прокатных профилей
могут выполняться двумя способами:
сваркой встык или с помощью накла-
док. В первом случае (рис. V. 13, а)
конструкция стыка проще. Однако рас-
полагать стык в месте максимального
изгибающего момента можно только
при осуществлении' физического конт-
роля качества швов. Стык на наклад-
ках (рис. V. 13, б) можно располагать
в любом месте по длине балки. Если
стык осуществляется на монтаже, то
рекомендуется применять высокопроч-
ные болты.
Стыки сварных балок. В заводских
условиях стыки в стенке или поясах
могут располагаться в любом месте
по длине балки в зависимости от
имеющейся длины листового проката
на складе. Стыки поясов и стенки вы-
полняются обычно в разных местах.
На рис. V. 14, а показана конструкция
заводских стыков поясов и стенки.
Если не применяются физические ме-
тоды контроля качества сварных швов,
то нижний пояс в месте действия
максимального изгибающего момента
можно стыковать с помощью косых
швов, что гарантирует их равнопроч-
ность с основным металлом. Стык
стенки при отсутствии контроля швов
физическими методами не следует рас-
полагать в месте действия максималь-
ного изгибающего момента, так как в
нижней части стенки (точка а на рис.
V. 14, а) прочность стыкового шва на
растяжение может оказаться ниже
прочности основного металла.
В монтажных стыках, в отличие от
заводских, все элементы балки сты-
3 5’487
65
Вид A
а
стенки; 2 — прямой
Рис. V.14. Стыки составных балок:
а — заводской стык; б —> монтажный стык на высокопрочных болтах; 1 — заводской стык
стык сжатого пояса; 3 косой стык растянутого пояса
куются в одном сечении. Соединения
осуществляются на сварке или на вы-
сокопрочных болтах. При выполнении
стыков на сварке все элементы балки
соединяются стыковыми швами без
применения накладок. Соединения на
высокопрочных болтах более техноло-
гичны и поэтому находят сейчас ши-
рокое применение. В этом случае как
пояса, так и стенка перекрываются
стыковыми накладками (рис. V. 14, б).
Опорные части балок. При опирании
балок на конструкции должны всегда
соблюдаться: расчетная схема сопря-
жения балки с конструкцией; проч-
ность и устойчивость деталей балки и
конструкции в зоне сопряжения; удоб-
ство монтажа и ухода за конструкци-
ей при эксплуатации.
Опорными конструкциями для ба-
лок обычно служат, колонны, нижеле-
жащие балки или каменные стены.
С точки зрения расчетной схемы раз-
личают два вида опирания балок:
1) шарнирное, если на поддерживаю-
щую конструкцию передается только
вертикальная опорная реакция балки
F; 2) жесткое, если кроме вертикаль-
ной опорной реакции в узле опирания
передается изгибающий момент М.
Так как в сечении балки поперечная
сила воспринимается в основном стен-
кой, а изгибающий момент поясами,
то конструктивно вертикальная опор-
ная реакция в узлах опирания долж-
на передаваться через стенку балки,
а опорный момент — через пояса.
К стальным колоннам балки могут
примыкать как шарнирно, так и по
Рис. V.15. Узлы опирания балок на металли-
ческие конструкции:
а —опирание на колонну сверху (шарнирное); б —то
же, сбоку; в — жесткое сопряжение балки с колонной;
г—этажное сопряжение балок (шарнирное); д — жест-
кое сопряжение балок в одном уровне; е — шарнирное
сопряжение балок в одном уровне; 1 — опорный сто- •
лик; 2 — ребро для передачи вертикальной опорной
реакции; 3 — накладки; 4 — ребро жесткости
66
Рис. V.16. Опирание балок на каменные и
железобетонные конструкции:
а — при небольшой площади опорной плиты; б — при
большой площади плиты
жесткой схеме. При опирании разрез-
ных балок на колонну сверху (рис. V.
Д5, а) сопряжение всегда шарнирное.
' Если балка опирается на колонну сбо-
ку, то может быть обеспечено как
шарнирное (рис. V. 15, б), так и же-
сткое (рис. V. 15, в) сопряжение бал-
ки с колонной. В последнем случае
для передачи изгибающего момента с
балки на колонну нужно предусмотреть
включение поясов балки в работу не-
посредственно на опоре. Для этого
пояса балки крепятся к полке колонны
с помощью специальных накладок
монтажной сваркой или высокопроч-
ными болтами.
Узлы взаимного сопряжения балок
при этажном опирании могут быть
только шарнирными (рис. V. 15, а),
а при опирании в одном уровне или
при пониженном опирании—как шар-
нирными (рис. V. 15, е), так и жестки-
ми (рис. V. 15, д). В . последнем слу-
чае неразрезность балок одного на-
правления обеспечивается поясными
накладками.
На каменные и железобетонные кон-
струкции (колонны, стены) балки всег-
да опираются шарнирно. Сосредоточен-
ная опорная реакция распределяется
на бетон или камень через опорные
плиты (рис. V.16). Площадь опорной
плиты назначается по условию обес-
печения прочности на смятие матери-
ала стены (колонны) под плитой:
A = F/R. (V.32)
При большой площади плиту для
уменьшения изгиба подкрепляют реб-
рами (рис. V.16, б),
Глава VI. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ФЕРМ ПОКРЫТИЙ
VM. НАЗНАЧЕНИЕ И ВИДЫ ФЕРМ А Ь
Фермами называются стержневые
системы с шарнирными сопряжениями
в узлах. В фермах, применяемых в
строительстве, узлы конструктивно вы-
полняются жесткими. Однако при ма-
лой изгибной жесткости EI стержней,
учитывая их слабое искривление при
узловом приложении нагрузки, изги-
бом стержней можно с достаточной
точностью пренебречь и применять
шарнирную схему. При значительной
изгибной жесткости стержней такое
допущение становится слишком грубым
и ферму рассчитывают с учетом жест-
кое^ узлов.
^Т1о статическому признаку различа-
~ют фермы балочноготипа (т. е. такие,
в которых не возникает распор от вер-
тикальных нагрузок) — однопролетные
(рис. VI. 1, а), многопролетные (рис.
VI. 1, б) и консольные (рис. VI.1, в);
рамного и арочного типа (рис. VI. 1,
г, б); вантовые (рис. VI.1, е). Если
пояс фермы выполнен в виде нераз-
резной балки, то получается комбини-
рованная система (рис. VI.1, ж).
Фермы конструктивно могут быть
различными: от легких прутковых до
тяжелых больших пролетов, плоскими
и пространственными трех- или четы-
рехгранными.
Фермы предназначены для примене-
ния в покрытиях зданий (стропильные
и подстропильные фермы, прогоны), в
междуэтажных перекрытиях, пролет-
ных строениях мостов, стволах ба-
шен и мачт, сооружениях спортйв-
3*
67
Q
Рис. VI. L Типы ферм:
а — балочные однопролетные; б — балочные многопролетные (неразрезные); в — балочно-консольные; г—рам«
ные: д—арочные; е — вантовые; ж— комбинированные
ного назначения, стрелах подъемно-
транспортного оборудования и земле-
ройных машин, в каркасах зданий в
виде систем связей. Наиболее широко
применяются фермы для покрытий
производственных и гражданских зда-
ний.
VI.2. СТРОПИЛЬНЫЕ ФЕРМЫ
И ИХ ТИПЫ
Стропильные фермы служат в каче-
стве несущих конструкций покрытий.
Они воспринимают нагрузки в пролете
от кровельного настила и расположен-
ных на нем паро-, тепло- и гидроизо-
ляции. К стропильным фермам могут
подвешиваться подъемно-транспортное
или другое технологическое оборудо-
вание и подвесной потолок.
Фермы^^-д^ержнях--тсотор«х- -уеи-
лия сравнительно невелики (1500—
2000 кН)т называ^от^легкшии, так как
их стержни выполняют из лёгких про-
1 — верхний пояс) 2 — нижний пояс; 3 — промежуточ-
ные раскосы и стойки; 4 — опорные раскосы; 6 —
промежуточные узлы; $ —коньковый узел; 7—опор-
ный узел
катных профилей. Такие фермы обычно
применяют при пролетах до 50 м«
В покрытиях больших пролетов (до
120 м) применяют Тяжелые фермы
(см. §Х.З).
Фермы состоят из верхнего и нижне-
го поясов и соединяющей их решетки—
раскосов и стоек. Участки поясов 1т
между узлами примыкания решетки
называются панелями (рис. VI.2). Для
опирания стандартных Железобетон-
ных ребристых плит покрытия на уз-
лы верхнего пояса длина панелей верх-
него пояса в типовых фермах унифи-
цирована и принимается равной 3 м.
В зависимости от очертания nj>-
ясо в различают следующие типы
ферм: с параллельными поясами (рис.
VI.3, а); трапецеидальные (рис. VI.3,
б); треугольные (рис. VI.3, в); полиго-
нальные (рис. VI.3, г); односкатные
(рис. VI.3, б); арочные (рис. VI.3, в).
Схема очертания поясов определяется
типом кровли, условиями отвода воды
с покрытия, требованиями экономии
металла или снижения трудозатрат при
изготовлении.
При устройстве кровель с гидроизо-
ляционным слоем (как правило, теп-
лые кровли) уклон верхнего пояса
может быть небольшим (1,5—5 %).
В этом случае применяются типовые
фермы с параллельными поясами, а
для индивидуальных решений — трапе-
зе
Рис. VI.4. Типы решеток
стропильных ферм:
а — с нисходящими раскоса*
ми; б — с восходящими рас*
косами; в — треугольная; г —
треугольная с дополнитель-
ными стойками; д — шпрен-
гельная
Рис. VI.3. Схема очертания поясов:
а — с параллельными поясами; б — трапецеидальная;
в — Треугольная; г — полигональная; д — односкатная;
е — арочная
цеидальные. В покрытиях без гидро-
изоляционного слоя (с холодными
кровлями из волнистых и профилиро-
ванных асбестоцементных .или метал-
лических листов) во избежание попа-
дания под кровлю атмосферных осад-
ков устраивают уклоны кровель до 30°.
В таких покрытиях применяют тре-
угольные или арочные фермы.
В настоящее время при пролетах до
36 м предпочтение отдается фермам
с параллельными поясами, у которых
длины всех раскосов и стоек одинако-
вы, что обеспечивает минимум трудо-
затрат при изготовлении. Кроме того,
возможность устройства при малых
уклонах гравийной защиты обеспечи-
вает повышение долговечности мягких
мастичных кровель.
Решетки легких ферм выполняются
раскосными с нисходящими (рис. VI.4,
а) или восходящими (рис. VI.4, б)
раскосами, треугольными (рис. VI.4, в),
треугольными с дополнительными
стойками (рис. VI.4, г), шпренгельны-
ми (рис. VI. 4, д). >
Преимуществом раскосных решеток
является постоянство знака усилий во
всех стержнях. Кроме того, у раскос-
ных решеток небольшая высота фермы»
оптимальная по затратам металла.
Треугольная решетка имеет меньшую
общую длину, чем раскосная, и поэто-
му более экономична. Дополнительные
стойки в треугольной решетке приме-
няются для уменьшения длины панели
верхнего пояса и располагаются в мес-
тах приложения сосредоточенных сил
(например, под ребрами плит покры-
тий). Для этой же цели применяется
шпренгельная решетка.
Сечения с т е р ж: н е й легких
фер&Г~могут быть ^составными из пар-
ных уголков (рис. VI.5, а—г) или
сплошными из тавров (рис. VI.5, б),
круглых труб (рис. VI.5, е), прямо-
угольных или квадратных гнуто-свар-
ных профилей замкнутого сечения
(рис. VI.5, ж, з), одиночных уголков.
В стержнях составного сечения от-
дельные ветви соединяются между со-
бой прокладками /, а для соединения
стержней в узлах ферм между собой
предусматриваются листовые элементы
2 (рис. VI.5, и), называемые фасонка-
ми (косынками). В сжатых стержнях
69
Рис. VI.5. Стержни легких ферм:
а—г —сечения составных стержней из парных угал-
ков; д—сплошное тавровое сечение; е — трубчатое
сечение; ж, з— гнуто-сварные замкнутые профили;
и—конструкция составного стержня;. 1—соединитель-
ные прокладки; 2 — узловые фасонки
прокладки обеспечивают совместную
работу ветвей. Они размещаются рав-
номерно вдоль стержня. Шаг прокла-
док назначается так, чтобы потеря
устойчивости каждой ветви относитель-
но собственной оси I — I наступала
не раньше, чем потеря устойчивости
составного стержня в целом относи-
тельно его главных осей х — х или у—у.
В этом случае момент инерции сечения
составного стержня относительно оси,
параллельной плоскости прокладок,
можно определять как для сплошного
стержня. Поэтому в сжатых стержнях
прокладки располагаются с шагом не
более 40/, где i — радиус инерции се-
чения одной ветви относительно соб-
ственной оси I — I, параллельной пло-
скости прокладок. В растянутых стерж-
нях прокладки, хотя и не влияют на
несущую способность, ставятся с шагом
не более 80/ для исключения изгиба
стержней при транспортировании и
монтаже ферм. Нужно заметить, что
прокладки и фасонки, являющиеся
вспомогательными деталями, значи-
тельно увеличивают массу ферм.
При компоновке составных сечений
применяют равнополочные или нерав-
нополочные уголки, составленные вме-
сте большими либо малыми полками.
При этом получают различные соотно-
шения между радиусами инерции се-
чения в двух главных плоскостях (рис.
VI.5, а—г). Это позволяет добиваться
примерно одинаковых гибкостей (рав-
ноустойчивости) стержней в плоскости
и из плоскости фермы = x/tx и =
= lef, y/iy при разных расчетных дли-
нах стержня в плоскости фермы lef,x
и из плоскости фермы lef, у.
Сплошные сечения из прокатных
тавров (рис. VI.5, д) более эффективны
по сравнению с составными сечениями
из парных уголков, при этом отпадает
необходимость в прокладках и узло-
вых фасонках.
Замкнутые тонкостенные сечения
(рис. VI.5, е—з) наиболее выгодно
применять в сжатых стержнях. Уда-
ленность материала от центра тяжести
сечения обеспечивает большие радиусы
инерции при малых площадях сечения.
В результате повышенная устойчивость
трубчатых и гнуто-сварных замкнутых
стержней сочетается с небольшой ме-
таллоемкостью. В фермах из замкну-
тых профилей узлы выполняются бес-
фасоночными, поэтому уменьшается
количество вспомогательных деталей
и протяженность сварных швов.
VI.3. ГЕНЕРАЛЬНЫЕ РАЗМЕРЫ
ФЕРМ
Генеральными размерами ферм яв-
ляются: пролет / — расстояние между
центрами опор, высота в середине про-
лета h и высота ho на опорах (см. рис.
VI.2). Выбор этих размеров существен-
но влияет на металлоемкость ферм,
стоимость изготовления, условия транс-
портирования от завода-изготовителя
к месту строительства, скорость мон-
тажа.
1240
б
Рис. VI.6. К учету условий транспортирования конструкции:
д_ габарит подвижного состава; б — членение негабаритных ферм на отправочные элементы
Пролеты стропильных ферм оп-
ределяются технологической или архи-
тектурной схемой зданий. Для сниже-
ния стоимости заводского изготовле-
ния пролеты ферм следует назначать
унифицированными — кратными моду-
лю 6 м (12, 18, 24, 30, 36 м и т. д.).
Для промышленных зданий модуль-
ность пролетов обязательна. Для об-
щественных зданий по условиям архи-
тектурно-планировочных решений про-
леты ферм могут назначаться любы-
ми, однако желательно принимать их
кратными трехметровому модулю.
При назначении высоты фермы h
посередине пролета должны рассмат-
риваться следующие условия: обеспе-
чение наименьшей массы; возможность
перевозки от места изготовления к ме-
сту монтажа; обеспечение уклонов по-
ясов, зависящих от материала кровли.
Оптимальная высота ферм зависит
от очертания поясов, системы решетки,
числа панелей и обычно оказывается
сравнительно большой (отношение
высоты фермы к пролету /i/Z=1/4...1/6)<
Такая большая высота не может быть
принята по соображениям транспорти-
рования и монтажа ферм.
По условиям транспортирования
ферм к месту строительства по желез-
ной дороге высота h должна вписы-
ваться в габарит подвижного состава
(рис. VI.6, а). Поэтому высоту ферм
в середине пролета назначают не бо-
лее 3,8 м. Иначе ферму нужно достав-
лять к месту монтажа мелкими эле-
ментами и выполнять на строительной
площадке большой объем сборочных
работ. При негабаритной высоте фер-
мы в середине пролета ее транспорти-
руют укрупненными отправочными
единицами за счет выбора специаль-
ной системы решетки (рис. VI.6, б).
Уклоны кровель могут оказывать
решающее влияние на высоту треуголь-
ных ферм. Поэтому их высота, как
правило, бывает больше, чем требует-
ся из условия наименьшей массы, и
они нерациональны по расходу стали.
Для ферм с параллельными пояса-
ми относительная высота в середине
пролета обычно принимается hll—xlz...
7п, а для трапецеидальных ферм h!l =
= 7б...78.
Высота на опорах зависит от высо-
ты в пролете, уклона кровли и пролета
фермы. Вопрос выбора высоты на опо-
ре й0 оказывается существенным для
ферм с уклонами поясов, большими 7в-
71
При крутых уклонах высота на опорах
определяется условиями конструирова-
ния опорных узлов.
В промышленных зданиях высота
на опорах ферм принимается незави-
симо от пролета для унификации со-
пряжения ферм с колоннами.
VI.4. ЭЛЕМЕНТЫ ПОКРЫТИЙ
ПО МЕТАЛЛИЧЕСКИМ ФЕРМАМ
/ Покрытия предназначены для защи-
ты зданий от атмосферных воздей-
ствий. На покрытиях могут устраивать-
ся фонари для естественного освеще-
ния и вентиляции.
Рис. VI.7. Беспрогонное покрытие:
в — схема покрытия; б — узел опирания плит на пояс
фермы; / — верхние пояса ферм; 2 — плиты покрытия;
3 — ограждающие элементы кровли; 4 — закладная де-
таль плиты
Конструкции покрытия состоят из
ограждающих и несущих. К ограж-
дающим относятся сплошные насти-
лы— железобетонные плиты, волнистые
асбестоцементные или металлические
листы, стальной оцинкованный профи-
лированный настил, металлические
панели (см. гл. VIII) и располагаемые
на них паро-, тепло- и гидроизоляция.
К несущим относятся конструкции,
поддерживающие ограждающие (стро-
пильные и подстропильные) фермы,
прогоны. Плоские стропильные фермы
располагаются в покрытии с одинако-
вым шагом, как правило, кратным мо-
дулю 6 м, и соединяются между собой
связями.
Различают две схемы компоновки
покрытий: беспрогонную и по прого-
нам.
Беспрогонные покрытия
(рис. VI.7) устраиваются, когда эле-
менты сплошного настила имеют дли-
ну, равную шагу стропильных ферм,
и могут непосредственно опираться на
верхние пояса ферм. Наиболее широко
применяются покрытия с использова-
нием железобетонных плит размерами
3X6 и 3X12 м. Продольные ребра
плит, через которые передаются на-
грузки на ферму, должны опираться
3
Рис. VI.8. Покрытие по прогонам:
в—схема покрытия; б — узел опирания настила из мелкоразмерных плит; в —узел опирания профилирован-
ного металлического настила; / — верхние пояса ферм; 2 — прогоны; 3 — ограждающие элементы кровли; 4 —
млнта; 5 — профилированный настил
72
в узлах (рис. VI.7, б), чтобы избежать
поперечного изгиба верхнего пояса.
Для уменьшения массы покрытия на-
ряду с железобетонными плитами мо-
гут применяться легкие металлические
панели.
Покрытия по прогонам (рис.
VI.8) устраиваются в случае приме-
нения мелкоразмерных элементов
сплошного настила, поддерживаемого
прогонами, которые опираются в узлах
верхних поясов ферм. Расстояние меж-
ду прогонами принимается обычно рав-
ным 3 м и реже—1,5 м. В качестве
настила по прогонам применяются
мелкоразмерные керамзитобетонные
плиты, панели с обшивками из асбесто-
цементных плоских листов, асбестоце-
ментные или металлические волнистые
листы, стальной оцинкованный профи-
лированный лист.
При шаге стропильных ферм 6 м
применяют прогоны сплошного сече-
ния из одиночных горячекатаных или
холодногнутых швеллеров и реже —
из двутавров. Прогоны, как и балки,
работают на изгиб от равномерно рас-
пределенной нагрузки q. В случае уста-
новки прогона на наклонные верхние
пояса ферм плоскость действия нагруз-
ки не совпадает с главными централь-
ными осями его сечения (рис. VI.9),
и прогон работает на изгиб в двух
главных плоскостях х—х и у—у (косой
изгиб). Нагрузка q раскладывается на
две составляющие: нормальную к по-
верхности покрытия qx, действующую
перпендикулярно к оси х—х, и скатную
qy, действующую перпендикулярно к
оси у—у. От действия этих нагрузок
определяют максимальные изгибающие
моменты в сечении Мх и Му, после
чего проверяют прочность сечения про-
гона с учетом развития пластических
деформаций:
° = ^Wx + (VI. 1)
где сх и су — коэффициенты, принима-
емые по табл. 66 СНиП П-23-81; Wx
Рис. VI.9. Расчетная
схема сечения сплош-
ных прогонов
X
и Wy — моменты сопротивления сече-
ния прогона относительно осей х—х и
У—У-
Так как момент сопротивления W9
намного меньше Wx, то напряжения
от скатной составляющей изгибающего
момента Му оказываются большими,
что вынуждает утяжелять прогон, уве-
личивая его сечение. Чтобы не допу-
стить этого, нужно уменьшить момент
Му за счет уменьшения пролета про-
гона в направлении скатной составля-
ющей. Это достигается постановкой
в плоскости покрытия тяжей из круг-
лой стали (рис. VI.10). Пролеты про-
гонов при этом уменьшаются в 2—3
раза.
При шаге ферм больше 6 м исполь-!
зуют решетчатые'прогоны (рис. VI.И,
а) или прогоны из развитых двутавров
с перфорированной стенкой (рис. VI.
11,6).
Фонари, предназначенные для аэра-
ции и освещения производственных
Рис. VI. 10 Конструкция тяжей по прогонам:
1 — тяжи
73
Рис. VI. 13. Связи по покрытию:
а —продольный изгиб поясов стропильных ферм при
отсутствии горизонтальных связевых ферм; б — схема
связей по покрытию; I — верхние пояса стропильных
ферм; 2 — поперечная связевая ферма; 3 — распорки;
4 — вертикальные связи
Рис. VI. П. Прогоны, применяемые при боль-
шом шаге ферм:
а — решетчатый прогон; б — прогон из двутавра с пер-
форированной стенкой
зданий, устанавливают на верхние по-
яса ферм. Применяются продольные
(рис. VI.12, а), поперечные (рис.
VI.12, б) и точечные (зенитные) (рис.
VI. 12, в) конструкции фонарей.
Связи обеспечивают общую устой-
чивость плоских ферм во время монта-
жа и в проектном положении, а также
устойчивость сжатых поясов из плос-
кости ферм. Система связей по покры-
тию состоит из горизонтальных связей,
Рис. VI. 12. Типы фонарей:
•—продольный; б — поперечные: а — точечные (зенит-
ные)
расположенных в плоскости верхних
поясов стропильных ферм, и вертикаль-
ных связей между фермами. В покры-
тиях промышленных зданий могут
также устраиваться связи в плоскости
нижних поясов ферм.
Горизонтальные связи по верхним
поясам обеспечивают их устойчивость
из плоскости ферм. Состоят из попе-
речных связевых ферм и продольных
элементов между ними. Продольные
элементы — распорки, ребра кровель-
ных плит, прогоны — являются опора-
ми для верхнего пояса только в том
случае, если невозможно их свободное
смещение вдоль здания. Поэтому при
отсутствии поперечных связевых ферм
потеря устойчивости верхнего пояса
в горизонтальной плоскости может про-
изойти при расчетной длине lef, равной
всему пролету фермы (рис. VI. 13, а).
Связевые фермы препятствуют смеще-
нию распорок, прогонов или других
продольных элементов, и расчетная
длина верхнего пояса становится зна-
чительно меньше (рис. VI.13, б). По-
перечные связевые фермы целесооб-
разно устраивать в торцах здания,
£4
Вертикальные связи обеспечивают
общую устойчивость плоских ферм.
Они устраиваются в торцах здания
между фермами у опор и через 9—
12 м вдоль пролета. Таким образом,
две крайние фермы объединяются в
неизменяемый пространственный блок,
к которому привязываются промежу-
точные фермы.
VI.S. РАСЧЕТ СТРОПИЛЬНЫХ ФЕРМ
Расчет фермы состоит из следующих
этапов: 1) вычисление узловых нагру-
зок; 2) определение расчетных усилий
в стержнях; 3) подбор сечений стерж-
ней; 4) расчет узловых соединений.
Вычисление узловых нагрузок. На
стропильные* фермы могут действовать
вертикальные и горизонтальные на-
грузки. К вертикальным нагрузкам
относятся: постоянная — от веса кров-
ли, веса ферм со связями, веса прого-
нов и фонарей, веса подвесного потол-
ка; временная длительная — от непо-
движного технологического оборудова-
ния, подвешенного к фермам; времен-
ная кратковременная — от снега, под-
вижного технологического оборудова-
ния с перемещаемыми грузами. К го-
ризонтальным относятся: нагрузка от
ветра, которая учитывается при укло-
нах кровель, больших 30°; нагрузка,
возникающая от торможения подвес-
ных кранов.
Если уклон верхнего пояса превы-
шает 5 %, то нагрузку от веса кровли
нужно привести к нагрузке на 1 м2
горизонтальной проекции покрытия:
Чп = tfn.i/cosa, (VI.2)
где qn,\ “ нормативная нагрузка на
1 м2 наклонной поверхности; a — угол
наклона верхнего пояса к горизон-
тали.
Равномерно распределенные нагруз-
ки, действующие на 1 м2 горизонталь-
ной проекции покрытия, приводятся к
узлам фермы их умножением на грузо-
f1IHIIII1|M 111.11 IIПИШИ!
Рис. VI. 14. Определение узловых нагрузок на
ферму:
1 — верхний пояс фермы; 2 — грузовая площадь одного
узла
вую площадь одного узла (рис. VI. 14).
Полученные сосредоточенные силы в
узлах
(VI .3)
где Ь — шаг ферм; lm — длина панели
пояса фермы, к которому приложена
нагрузка; qn—нормативные нагрузки
на 1 м2 горизонтальной проекции по-
крытия; Tf — коэффициенты надежно-
сти по нагрузке.
Нагрузка от собственного веса стро-
пильных ферм со связями и прогонами
может быть принята по табл. VI. 1, где
приведен ориентировочный расход ста-
ли на элементы кровельного покрытия
по стропильным фермам, кг, на 1 м2
площади здания. Снеговая и ветровая
Таблица V1J
Элементы покры- тия Расход стали по типам покрытий, кг/м2
легкие | | средние тяжелые
Стропильные фермы Прогоны 16—25 18—30 20—40
10—12 12—18 12—16
Связи 3—4 3-5 8—15
Итого 20—40 35—55 40—70
75
Таблица VI.2
Элементы покрытия Нагрузка, кН/м2
нор- матив- ная рас- четная if
Гидроизоляционный ко- вер трехслойный 0,1 0,11 и
Асфальтовая стяжка тол- щиной 20 мм 0,36 0,48 1,2
Утеплитель пенопласто- вый ФРП-1 Железобетонные плиты 0,05 0,06 1,2
ПНКЛ размером 3x6 м 1,4 1,54 1,1
ПКЖН размером 3x12м 1,7 1,87 1,1
Стальной профилирован- ный настил Н-79-680.1 0,15 0,16 1,05
нагрузки принимаются в соответствии
со СНиП П-6-74 «Нагрузки и воздей-
ствия». В табл. VI.2 приведены посто-
янные нагрузки от веса ограждающих
конструкций на 1 м2 площади здания.
Определение расчетных усилий в
стержнях. Продольные усилия в стерж-
нях стропильных ферм определяются
методами строительной механики в
предположении шарнирного соединения
стержней в узлах: методом вырезания
узлов — графически (построением диа-
граммы Максвелла — Кремоны) или
аналитически и методом разрезов.
Фактическую жесткость узлов Можно
не учитывать для ферм с относительно
гибкими стержнями (из уголков или
тавров). При двутавровых, Н-образных
и трубчатых сечениях стержней расчет
ферм по шарнирной схеме допускается,
когда отношение высоты сечения к дли-
не стержня не превышает 1/10 для
конструкций, эксплуатируемых во всех
климатических районах, кроме районов
с расчетной отрицательной температу-
рой ниже —40 °C. Для последних это
отношение должно быть не более 1/15.
Если эти условия не соблюдаются, в
фермах определяют не только продоль-
ные усилия, но и изгибающие моменты,
как в рамных системах.
Для подбора сечения определяют
расчетные усилия в стержнях, т. е,
наибольшие усилия, которые могут
возникнуть при различных сочетаниях
постоянных и временных нагрузок.
Подбор сечений стержней. Требу-
емая площадь сечения растянутых
стержней определяется по формуле
(III.22), а площадь сечения сжатых
стержней — по формуле (III.24). После
подбора сечений выполняется проверка
устойчивости сжатых стержней по фор-
муле (Ш.П), для чего необходимо
знать расчетные длины стержней при
возможном их продольном изгибе в
плоскости фермы lef,x = ^l (относи-
тельно оси х—х сечения) и из плоско-
сти фермы lef, у = [ill (относительно
оси у—у). Здесь главные оси сечения
стержня обозначены по рис. VI.5.
В качестве геометрической длины
стержня I в плоскости фермы и длины
Ц из плоскости фермы принимаются
наименьшие расстояния между точка-
ми стержня, закрепленными от сме-
щения соответственно в плоскости и
из плоскости фермы. Поэтому длина
I для всех стержней и длина Ц для
всех стержней, кроме верхнего пояса,
принимается равной расстоянию меж-
ду узлами фермы. Для верхнего пояса
длина Ц принимается равной рассто-
янию между узлами прикрепления к
нему распорок (см. рис. VI.13, б).
Несмотря на то что при определе-
нии усилий в ферме закрепления кон-
цов стержней в узлах могут считаться
шарнирными, коэффициенты расчет-
ной длины ц не всегда принимаются
равными единице. Для сжатых стоек
и раскосов, кроме опорных, учитыва-
ется некоторое защемление в узлах,
обусловленное тем, что прикрепленные
в узле растянутые стержни препятст-
вуют его повороту в плоскости фермы.
Для стержней из круглых труб или
замкнутых гнуто-сварных профилей
учитывается защемление в узлах как
в плоскости, так и из плоскости
фермы. Расчетные длины стержней
ферм приведены в табл. VI.3. Гиб-
кость подобранных стержней не долж-
16
Таблица V1.3
Направление продольного изгиба Стержни из уголков и тавров Стержни из труб и гнуто-сварных профилей
верхний пояс опорный раскос промежуточ- ные раскосы и стойки верхний пояс раскосы и стойки
В плоскости фермы 1 1 0,8/ 0,9/ 0,9/
Из плоскости фермы 11 1 / 0,9/, 0,9/
на превышать величин, приведенных
в табл. VI.4.
Расчет узловых соединений. В зада-
чи расчета узлов входит обеспечение
несущих способности соединений (свар-
ных, болтовых или заклепочных), а
для бесфасоночных узлов из труб или
гнуто-сварных замкнутых профилей
также и несущей способности стенок
стержней на местные воздействия,
передаваемые примыкающими элемен-
тами.
Расчет узлов сварных ферм на фа-
сонках рассмотрим на примере про-
межуточного узла верхнего пояса
(рис. VI.15). Стержни решетки из пар-
ных уголков прикрепляются к фасон-
ке фланговыми швами, которые рас-
считываются на продольные усилия N,
действующие в стержнях. При этом
усилия между швами по перу и обуш-
ку уголка распределяются обратно
пропорционально их расстояниям до
оси стержня (см. рис. IV. 17, б).
Таблица VIА
Элементы конструкций Предельные гибкости элементов
сжатых растянутых при статической нагрузке
1. Пояса, опорные раскосы и стойки, передающие опорные реакции: а) плоских ферм, структурных конструкций и пространствен- 180—60а 400
ных конструкций высотой до 50 м из труб или парных уголков б) пространственных конструкций из одиночных уголков, пространственных конструкций высотой до 50 м из труб и парных уголков 2. Элементы, кроме указанных в п. 1: а) плоских ферм, сварных пространственных и структурных 120 400
210—60а 400
конструкций из одиночных уголков, пространственных и структурных конструкций из труб и парных уголков б) пространственных и структурных конструкций из одиноч- 220—40а 400
ных уголков с болтовыми соединениями 3. Верхние пояса ферм, не закрепленные в процессе монтажа . 220
(предельную гибкость после завершения монтажа следует при- нимать по п. 1) 4. Элементы связей, а также стержни, служащие д*я умень- шения расчетной длины сжатых стержней, и другие ценагру- женные элементы 200 400
Примечания: 1. а = N/(<?ARyic) — коэффициент, принимаемый не менее 0,5 (в необ-
ходимых случаях вместо следует принимать <ре). 2. Значения предельных гибкостей для дру-
гих элементов конструкций см. в* табл. 19 и 20 СНиП П-23-81.
77
Рис. VI. 15. К расчету узлов на фасонках:
о—с расчетными швами верхнего пояса по обушкам
уголков; б — с нерасчетными швами по обушкам верх-
него пояса: 1 — расчетные швы верхнего пояса
Пояс крепится к фасонке швами по
перу и обушкам уголков, когда фа-
сонка выступает за кромки обушков
(рис. VI.15, а). Если при опирании
в узле прогонов или плит покрытия
фасонка должна быть утоплена меж-
ду уголками (рис. VI.15, б), то швы
по обушкам не учитываются, так как
их качество не гарантируется. Расчет
швов, соединяющих пояс с фасонкой,
производится на равнодействующую
усилий в примыкающих к узлу пане-
лях AV = V2—Vi, которая стремится
сдвинуть фасонку относительно пояса.
Если в узле приложена сосредоточен-
ная сила F (рис. VI.15, а, б), то швы
рассчитывают на равнодействующую
S = /Д№ 4- F2.
Если швы по обушкам в расчет не
вводятся, то усилия ДУ или 3 должны
восприниматься только швами у пера
уголков. При этом в швах необходимо
учитывать дополнительные напряже-
ния от момента M=&Ne, возникающе-
го за счет эксцентриситета силы ДУ
относительно этих швов,
78 .
VI.6 ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ
При конструировании ферм, как и
любых других конструкций, должны
соблюдаться требования обеспечения
принятой расчетной схемы, надежно-
сти работы, технологичности изготов-
ления и монтажа.
Для реализации принятой расчетной
шарнирной схемы необходимо, чтобы
продольные усилия во всех примыка-
ющих к узлу стержнях сходились в
одной точке. Для этого нужно, во-пер-
вых, центрировать осевые линии фер-
мы в узлах и, во-вторых, совмещать
с осевыми линиями линии, соединя-
ющие центры тяжести сечений стерж-
ней. Если эти условия не удается вы-
полнить при конструировании, то воз-
никающие в узлах моменты должны
быть учтены при расчете фермы.
При конструировании узлов на фа-
сонках соблюдаются следующие пра-
вила. Толщина фасонок назначается
в зависимости от расчетных усилий в
примыкающих стержнях решетки. При
усилиях менее 200 кН толщина фасон-
ки принимается tg = 8 мм, при усилиях
200—400 кН /5=10 мм, при усилиях
400—600 кН /g=12 мм, при усилиях
600—1000 кН fg=14 мм, при усилиях
1000—1400 кН Zg=16 мм. В одном
отправочном элементе фермы допуска-
ется применять фасонки не более двух
толщин с разностью толщин не более
2 мм.
Расстояния между краями элементов
сварных ферм и поясов принимаются
a = 6tg — 20 мм, но не более 80 мм
для уменьшения сварочных деформа-
ций в фасонке. Размеры и очертания
фасонок устанавливаются в зависи-
мости от необходимых длин сварных
швов, числа болтов или заклепок для
прикрепления стержней в узлах. Очер-
тания фасонок должны быть возможно
более простыми (в виде прямоуголь-
ников цли трапеций) •
Рис. VI. 16. Узлы ферм из уголков:
в —опорный; б —заводской стык пояса; а —монтажный (укрупнительный) стык; / — накладки
по поясу; 2 — накладки, перекрывающие стык фасонки; 3 — фиксирующие болты
На рис. VI.16 показаны некоторые
узлы ферм из уголков.
При конструировании ферм со стерж-
нями замкнутого сечения (из круглых
труб, квадратных или прямоугольных
гнуто-сварных замкнутых профилей)
должна быть обеспечена герметизация
внутренних полостей, не доступных
для антикоррозионной защиты.
В трубчатых фермах наиболее це-
лесообразны бесфасоночные узловые
сопряжения с непосредственным при-
мыканием стержней решетки к поясам.
В фермах из круглых труб применя-
ются электросварные либо горячеде-
формированные трубы. Наиболее ра-
циональны трубы с наружным диа-
метром 140—180 мм и с отношением
толщины стенки к диаметру (в зависи-
мости от расчетного сопротивления
стали) не более 1/45 для поясов,
1/100...1/70 для сжатых и 1/100 для
растянутых элементов решетки. Мини-
мальная толщина стенки труб для
основных несущих элементов 3 мм.
В бесфасоночных узлах пояса вос-
принимают местное давление от при-
мыкающих стержней решетки. Для
уменьшения местного изгиба стенок
поясов рекомендуется диаметр труб
решетки принимать не менее 7з диа-
метра поясов. При недостаточной тол-
щине пояса могут усиливаться наклад-
ками, В фермах из гнуто-сварных
замкнутых профилей ширина сечения
пояса не должна превышать ширину
сечения элементов решетки более чем
на 40 мм.
Для нормального размещения свар-
ных швов в фермах из круглых труб
диаметр элементов решетки (за ис-
ключением опорных раскосов) должен
быть не больше диаметра поясов, а в
фермах из гнуто-сварных замкнутых
профилей ширина элементов решетки
должна приниматься на 20—30 мм
меньше ширины поясов.
При подборе сечений рекомендуется
принимать не более 6—8 типоразмеров
стержней на ферму. Поэтому подбор
сечений начинают с наиболее нагру-
женного элемента и, таким образом,
получают наибольший профиль. Затем
определяют требуемый наименьший
профиль. Остальные 4—6 профилей
укладываются в диапазон между при-
нятыми наибольшим и наименьшим.
В фермах из уголков минимальный
профиль ограничивается уголком 50X
Х5 мм.
Хотя усилия в панелях поясов
уменьшаются от середины пролета к
опорам, для упрощения заводского из-
готовления пояса в фермах пролетом
до 24 м выполняются из одного номе-
ра профиля. В фермах больших про-
летов сечения поясов изменяют по дли-
не, предусматривая заводские стыки,
79
позволяющие перейти на другой номер
профиля. Заводские стыки могут быть
вызваны также недостаточной длиной
металлопроката.
Заводские стыки поясов располага-
ют, как правило, вне узлов и выпол-
няют сварными встык либо на наклад-
ках. Стыки на накладках отличаются
сложной передачей усилий от элемен-
та к элементу, повышенными трудо-
емкостью и расходом металла, поэто-
му их применять не рекомендуется.
Монтажные стыки предусматривают
для разбивки ферм на отправочные
элементы с учетом габаритов подвиж-
ного состава, выделяемого заводам-
изготовителям. Стропильные фермы
пролетом до 18 м рекомендуется от-
правлять целиком, а пролетами 24—
36 м — двумя-тремя частями. Кон-
струкция монтажных стыков суще-
ственно влияет на трудоемкость укруп-
нительной сборки при монтаже и на-
дежность конструкций в течение всего
срока службы. Поэтому монтажная
сварка вытесняется в настоящее вре-
мя высокопрочными болтами в соеди-
нениях на ндкладках либо на флан-
цах.
VI.7. ЭФФЕКТИВНЫЕ КОНСТРУКЦИИ
СТРОПИЛЬНЫХ ФЕРМ
Последние 10—15 лет ведутся рабо-
ты по совершенствованию стропильных
ферм в направлении упрощения кон-
струкции и сокращения затрат стали.
Проявляется тенденция подчинить
конструктивную форму условиям ав-
томатизированного изготовления и ско-
ростного монтажа. Упрощение кон-
струкции достигается унификацией
элементов за счет применения схем с
параллельными поясами, бесфасоноч-
ных узлов, монтажных болтовых со-
единений. Уменьшение массы достига-
ется применением эффективных про-
филей (широкополочные тавры, трубы,
гнуто-сварные замкнутые профили) и
сталей повышенной прочности, В ре-
зультате были разработаны следующие
типы ферм.
Фермы с параллельными поясами
из парных уголков под легкую кровлю
по стальному профилированному на-
стилу (ЦНИИПроектстальконструк-
ция) с применением в поясах низко-
легированной стали. Унификация узлов
и длин элементов решетки привела к
некоторому снижению трудоемкости
изготовления таких ферм по сравне-
нию с типовыми трапецеидальными.
Однако из-за применения традицион-
ных составных сечений из парных угол-
ков трудоемкость изготовления и мас-
са второстепенных элементов (прокла-
док, фасонок) оставались достаточно
большими.
Фермы с поясами шз широкополоч-
ных тавров и решеткой из парных угол-
ков (ЦНИИПроектстальконструкция).
Решетка крепится к поясам без фасо-
нок или с использованием небольших
узловых уширений (рис. VI. 17, а).
Затраты стали для этих ферм оказа-
лись меньшими, чем для ферм с поя-
сами из парных уголков, на 10—12 %,
трудоемкость изготовления — на 15—
20, а стоимость — на 12—15 %.
Фермы из круглых труб (ЦНИИПро-
ектстальконструкция). Их металлоем-
кость на 30—35 % меньше, чем для
ферм из парных уголков. Сопряжение
решетки с поясами выполняется без
фасонок с применением контурной
вырезки на станках с программным
управлением или сплющиванием кон-
цов труб (рис. VI.17, б). Применение
таких ферм из-за высокой стоимости
и дефицитности труб пока ограничено.
Фермы с поясами и решеткой из
гнуто-сварных замкнутых профилей
(ЦНИИПроектстальконструкция и
ВНИКТИстальконструкция) (рис.
VI.17, в). По затратам стали они
наиболее экономичны, но их несущая
способность ограничена сортаментом
гнуто-сварных профилей.
Фермы с поясами из широкополочных
двутавров и раскосами из гнуто-свар*
80
a
Рис. VI. 17. Эффективные типы стропильных
ферм:
а — ферма с поясами из прокатных тавров; б —
ферма из труб; в — ферма из замкнутых гнутс*
свафных профилей; г—ферма с поясами из тавров
и решеткой из одиночных уголков; д — ферма о
поясами из широкополочных двутавров и решеткой
из замкнутых профилей; е — малоэлементная ферма
с поясами из перфорированных двутавров; 1 —
накладка; 2 — вставка; 3 — узловое уширение^
4 — прокладной фланец; 5 — опорный столик
ных профилей (рис. VI.17, д), Пояса
таких ферм хорошо работают на по-
перечный изгиб, возникающий при вне-
узловом приложении нагрузки, что по-
зволяет отказаться от дополнительных
стоек в треугольной решетке и умень-
шить количество элементов в ферме.
Фермы с поясами из широкополоч-
ных тавров и перекрестной решеткой
из одиночных уголков (ЦНИИСК им.
В. А. Кучеренко и УкрНИИПроект-
стальконструкция) (рис. VI.17, г). Ре-
шетка крепится к стенке тавра без;
фасонок сварными швами или спосо-
бом сквозного принудительного про-
плавления в отдельных точках. Затра-
ты стали на такие фермы меньшие,
чем на фермы из парных уголков, на
81
10 %, трудозатраты на изготовление“
яа 40—45, стоимость— на 17 %.
' Малоэлементная ферма с жестким
на изгиб верхним поясом из развитых
перфорированных двутавров перемен-
ной высоты (рис. VI.17, е) разработа-
на Киевским инженерно-строительным
институтом. Предназначена для про-
изводственных зданий — бескрановых
или с опорными мостовыми кранами.
Глава VII. ЦЕНТРАЛЬНО-СЖАТЫЕ КОЛОННЫ
(2^
VII.1. НАЗНАЧЕНИЕ
44 КЛАССИФИКАЦИЯ КОЛОНН
В зданиях и сооружениях колонны
служат для передачи нагрузок от опи-
рающихся на них конструкций на фун-
даменты.
Колонна состоит из трех основных
’частей: оголовка, на котором крепятся
вышележащие конструкции; стержня
колонны; базы (башмака), распреде-
ляющей сосредоточенное давление от
стержня колонны на фундамент и за-
крепляющей колонну в соответствии
с принятой расчетной схемой.
В зависимости от характера расчет-
ной схемы различают два типа колонн:
центрально-сжатые (рис. VI 1.1, а), ко-
торые воспринимают сжимающую си-
лу, приложенную в центре тяжести
сечения; внецентренно-сжатые, на ко-
торые помимо осевой силы действуют
изгибающие моменты. Возможны сле-
дующие схемы загружения внецентрен-
но-сжатых колонн: сила N приложена
Рис. VIIЛ. Схемы колонн:
а — центрально-сжатая; б — внецентренно-сжатая; * —
3 — сжато-изогнутые; / — оголовок; 2 — стержень ко-
лонны; 3 — база; 4 — консоль
с эксцентриситетом е (рис. VII.1, б);
сила N приложена по оси колонны,
но, кроме того, действует изгибающий
момент М (рис. VII. 1, в); в колонне
кроме продольной силы N приложена
горизонтальная сила Н (рис. VII.1,
г, б). Строго говоря, при загружении
по схемам, изображенным на рис.
VI 1.1, в—д, элементы являются сжато-
изогнутыми. Их работа несколько от-
личается от работы внецентренно-сжа-
тых, однако расчет ведется аналогично.
Внецентренно-сжатые колонны наи-
более часто встречаются в каркасах
производственных зданий. Для жилых
и общественных зданий характерным
типом являются центрально-сжатые
колонны.
Конструктивная схема колонны
определяется особенностями ее работы
как^сжатого элемента (см. § Ш.2).
Главной особенностью является то, что
несущая способность колонны зависит
не только от площади сечёнияГи проч-
ности материала, но и от того, какую
форму имеет сечение, что особенно
заметно сказывается в высоких мало-
нагруженных колоннах.
Наиболее выгодны колонны с разви-
тыми тонкостенными сечениями, в ко-
торых материал распределен по пери-
ферии на большом удалении от центра
тяжести. Такие сечения отличаются
повышенными радиусами инерции при
небольшой площади.
По конструкции стержня колонны
делятся на сплошные и сквозные. Если
колонна выполняется сплошной, т. е.
с непрерывным распределением мате-
риала по сечению, то, как правило,
приходится считаться с возможностью
«2
местной потери устойчивости тонко-
.стенных элементов, которая приводит
к выключению части сечения из ра-
боты. Для предотвращения местной
потери устойчивости прибегают к кон-
структивным мерам (увеличение тол-
щины элементов, укрепление ребрами
жесткости), в результате чего проч-
ность материала колонны используется
не полностью. Поэтому при малых
нагрузках и больших длинах выгоднее
сквозные колонны. Материал сечений
сквозных колонн сосредоточен в от-
дельных элементах — ветвях, которые
соединены между собой связями сдви-
га (планками или решеткой), распо-
ложенными вдоль колонны с опре-
деленным шагом. Сечения ветвей, в
которых сосредоточен материал, не-
восприимчивы к потере местной устой-
чивости.
VII.2. СПЛОШНЫЕ
ЦЕНТРАЛЬНО-СЖАТЫЕ КОЛОННЫ
Сплошные колонны состоят из одно-
го прокатного элемента либо изготав-
ливаются из нескольких элементов,
соединенных между собой непрерывно
по всей длине стержня колонны свар-
ными швами или заклепками. Наибо-
лее рациональны такие сечения, кото-
рые - обеспечивают одинаковую гиб-
кость (равноустойчивость) колонны
относительно обеих главных централь-
ных осей сечения. Если расчетные дли-
ны колонны в двух главных плоско-
стях одинаковы, то рационально круг-
лое трубчатое сечение (рис. VII.2, а)
с одинаковыми радиусами инерции от-
носительно главных осей. Однако из-
за трудностей решения узлов примы-
кания ригелей к круглым трубам и их
высокой стоимости этот тип сечения
колонн применяется редко.
Наиболее распространено из-за про-
стоты изготовления и решения узлов
примыкания элементов Н-образное
сварное сечение из трех листов (рис.
VI 1.2, б), которое в последнее время
оноа
а б 6 г
Рис. VI 1.2. Типы сечений сплошных колонн:
а — трубчатое; б — сварное Н-образное; в —б —свар-
ные замкнутые; е, ж — крестовые; з — клепаные
с успехом заменяется прокатными ши-
рокополочными двутаврами. Однако
равноустойчивость колонн Н-образного
или двутаврового сечения при одина-
ковых расчетных длинах в двух глав-
ных плоскостях практически не дости-
гается.
В последние годы в каркасах жилых
и общественных зданий шире исполь-
зуются колонны прямоугольного и
квадратного сечения, сваренные из че-
тырех листов (рис. VII.2, в). В таких
колоннах легко достигается равноус-
тойчивость в двух главных направле-
ниях и благодаря малой гибкости ра-
ционально применять высокопрочные
стали. Колонны прямоугольного сече-
ния при сравнительно небольших на-
грузках изготавливаются из швеллеров
или уголков (рис. VII.2, г, б).
Встречаются и другие типы сечений
центрально-сжатых колонн. В высот-
ной части каркаса Московского госу-
дарственного университета было при-
менено крестовое сечение из четырех
листов (рис. VII.2, е). Колонны кре-
стового сечения с дополнительными
листами (рис. VII.2, ж) применены
в каркасе народного Дворца культу-
ры в Софии.
83
Рис. VI 1.3. Расчетная
схема сечения сплош-
ной колонны
На рис. VII.2, з показаны некоторые
типы сечений клепаных колонн.
Расчет сплошных колонн включает
следующие этапы.
1. Определение расчетной
схемы колонны. Для сплошных
колонн расчётная схема представляет
собой стержень, закрепленный по кон-
цам (а иногда и в промежуточных
сечениях) в соответствии с принятой
расчетной схемой всего здания или
сооружения. Так как потеря устойчи-
вости колонны может произойти отно-
сительно любой из двух главных цент-
ральных осей ее сечения х—х или у—
у (рис. VII.3), то нужно принимать
в расчет условия закрепления концов
стержня колонны в двух главных плос-
костях. Расчетная длина колонны или
ее участка между связями в каждой
плоскости принимается как произве-
дение расстояния между точками
стержня, закрепленными от горизон-
тального смещения, на коэффициент
расчетной длины ц (см. § Ш.2), зави-
сящий от условий закрепления концов
колонны или ее участка:
hf,x 4/,у “
где 1Х> участков колонны
между точками крепления связей или
высота этажей.
Коэффициенты расчетной длины
колонн с четко выраженными схемами
закрепления концов могут приниматься
по рис. Ш.2. В одноэтажных жилых
и общественных зданиях оба конца
колонны закрепляются шарнирно
(ц=1) либо нижний конец защемля-
ется в фундаменте, а верхний шарнир-
но крепится к ригелям (ц = 0,7). В мно-
гоэтажных зданиях колонны нижних
этажей обычно защемляются внизу и
шарнирно крепятся вверху (р=0,7),
а у колонн верхних этажей считается,-
что концы закреплены шарнирно
(ц=1).
2. Компоновка сечения. Тре-
буемая площадь сечения колонны
определяется по формуле (Ш.24):
ЛТр ==
Так как это уравнение содержит два
неизвестных (площадь сечения и коэф-
фициент продольного изгиба (<р), то
его значением нужно предварительно
задаться.
Для колонн Н-образного сечения
коэффициент <р принимается 0,7...0,8,
а для колонн квадратного сечения из
четырех листов можно принимать ф =
=0,9.
После того как найдена требуемая
площадь сечения, определяют его вы-
соту h и ширину Ь.
Сечения Н-образных колонн прини-
маются близкими к квадратным, т. е.
Высота сечения h при длине
колонны Z до 20 м принимается рав-
ной (]у--2бН- Размер стороны сече-
ния квадратных колонн для зданий
высотой до 6 этажей обычно принима-
ется 160—250 мм, а для зданий боль-
шей этажности — 400—600 мм.
При известных площади и габари-
тах сечения назначают толщины листов
для составных сечений. Если сечение
колонны принимается из прокатно-
го широкополочного двутавра, номер
профиля по сортаменту выбирается с
учетом как требуемой площади, так и
требуемых габаритов сечения. Для Н-
образных составных сечений толщину
стенки назначают в пределах Ли = 8...
16 мм, а толщину поясов fy = 8...4O мм.
При этом в оптимально подобранных
сечениях площадь поясов составляет
0,7—0,8 общей площади сечения. Для
84
^квадратных сечений наиболее часто
^используются толщины листов 16—
1'40 мм. •
3. Проверка общей устойчи-
вости колонны производится по
формуле (III.11). Для определения
коэффициентов продольного изгиба в
двух плоскостях X — X и у — у вычи-
сляются значения гибкостей относи-
тельно обеих главных осей сечения:
== ^е/.хДх» *ку ==
Здесь ix и iy — радиусы инерции сече-
ния. Проверку устойчивости колонны
по формуле (II 1.11) достаточно выпол-
нить только в плоскости большей гиб-
кости.
Гибкость колонны не должна превы-
шать предельной величины, установ-
ленной нормами, т. е. должно выпол-
няться условие к < кпр. Предельная
гибкость для колонн Хпр = 180 — 60а,
где а = N/iyARy^c) — коэффициент, при-
нимаемый не менее 0,5.
Если вычисленные по формуле
(III.11) напряжения окажутся больше
расчетных сопротивлений 7?^ или не-
донапряжение будет превышать 5%,
корректируют принятые размеры се-
чения в большую или меньшую сто-
рону. В Н-образных колоннах изме-
няют толщину поясов.
4. Проверка местной устой-
чивости стержня колонны.
Необходимость такой проверки вызва-
на теМ, что стенка и пояса могут вы-
пучиваться, как показано на рис.
VII.4,a. Проверка местной устойчивости
заключается в вычислении фактических
отношений расчетной высоты стенки
к ее толщине hefltw и отношений свеса
пояса к его толщине bef/tf, которые
сравнивают с наибольшими значения-
ми, допускаемыми по нормам.
Для центрально-сжатых колонн от-
ношение расчетной высоты стенки hef
к ее толщине tw следует принимать
не большим значений, определенных
по табл. 27 СНиП 11-23-81, а отноше-
ние расчетной ширины свеса поясного
Рис. VI 1.4. Местная устойчивость сплошных
колонн:
а — схема местной потери устойчивости; б — расчет-
ные размеры листовых элементов; о — укрепление
стенки продольными ребрами жесткости; г—укрепле-
ние стенки поперечными ребрами
листа bef к его толщине tf — не боль-
шим значений, определенных по табл.
29 СНиП 11-23-81.
Эти отношения зависят от гибкости
колонны, а также от прочности и мо-
дуля упругости материала, из которого
она выполнена. Чем больше гибкость
колонны, тем большими могут быть
приняты предельные значения b8fltw и
befltf*
Если фактические отношения расчет-
ной высоты стенки и свеса пояса к их
толщинам окажутся больше предель-
ных, то местную устойчивость обеспе-
чивают увеличением толщины листов.
В Н-образном сечении вместо увели-
чения толщины стенки ее можно
укреплять парными продольными реб-
рами жесткости (рис. VII.4, в), сече-
ния которых рекомендуется включать
в расчетную площадь сечения колонны.
В том случае значение hef!tw, опре-
деленное по табл. 27 СНиП П-23-81,
умножается на повышенный коэффи-
циент р, значение которого принимают
в соответствии с указаниями п. 7.19
СНиП П-23-81.
Стенки центрально-сжатых колонн
при hefltw^ZZVElRy должны укреп-
ляться поперечными ребрами жест-
кости, которые следует располагать
равномерно по длине колонны с ша-
гом (2,5...3) hef (рис. VII. 4, г). Сече-
85
ния ребер принимаются такими же,
как и в сварных балках: ширина ребра
по формуле (V.24), а толщина — по
формуле (V.26).
Сварные соединения поясов со стен-
кой в сплошных колоннах составного
сечения выполняются непрерывными
по длине стержня колонны сварными
швами. Так как соединения поясов со
стенкой в центрально-сжатых колон-
нах должны быть рассчитаны только
на восприятие сдвига от условной по-
перечной силы QfiC (см. формулу
(VII.9)), то усилия в сварных швах
оказываются небольшими и катеты
швов принимаются конструктивно: не
более 1,2 меньшей из толщин соеди-
няемых элементов и не менее величин,
указанных в табл. 38 СНиП П-23-81.
VII.3. СКВОЗНЫЕ
ЦЕНТРАЛЬНО-СЖАТЫЕ КОЛОННЫ
Стержень сквозной колонны обра-
зуется из отдельных продольных эле-
ментов — ветвей, соединенных между
собой по длине колонны соединитель-
ными элементами — планками или
решеткой. Сечения ветвей обычно при-
нимаются из профильного проката:
швеллеров, уголков (рис. VII.5, а, б, в),
двутавров. Планки и решетка крепят-
ся к ветвям на сварке.
Для увеличения жесткости на кру-
чение сквозные колонны укрепляются
поперечными диафрагмами (рис. VII.
5, г), которые располагаются равно-
мерно вдоль стержня колонны не реже
чем через 4 м.
По затратам металла сквозные ко-
лонны более экономичны, чем сплош-
ные, но отличаются большей трудо-
емкостью изготовления, более низкими
эстетическими качествами и сравни-
тельно небольшой несущей способ-
ностью. Они применяются в основном
в зданиях и сооружениях промышлен-
ного назначения и в одноэтажных зда-
ниях. Центрально-сжатые колонны ча-
ще выполняются на планках, так как
6
Рис. VI 1.5. Конструк-
ции сквозных колонн:
а — сварная на планках;
б — клепаная на планках;
в— с раскосной решет-
кой; г —сплошная и ре-
шетчатая диафрагмы; / —
ветви; 2 — соединитель-
ные планки; 3 — соедини-
тельная решетка; 4 —
лист-диафрагма; 5 — реб-
г р°
имеют более простую конструкцию и
лучший внешний вид. Колонны с сое-
динительной решеткой обладают боль-
шей жесткостью при изгибе и приме-
няются при действии внецентренного
сжатия.
Работа сквозных колонн под нагруз-
кой отличается от работы сплошных
колонн, что объясняется особенностью
их конструкции. Так как сквозная ко-
лонна состоит из отдельных ветвей,
то одна из главных центральных осей
сечения колонны не пересекает мате-
риал. Ось, пересекающая материал
сечения ветвей, называется материаль-
ной (ось х—х на рис. VII.6). Ось, не
пересекающая материал сечения вет-
вей, называется свободной (ось у—у на
рис. VII.6). В некоторых сечениях, на-
пример в четырехветвевых колоннах
(рис. VII.5, в), материальная ось от-
сутствует вообще.
86
Рис. VI1.6. К расчету
стержня сквозных ко-
лонн:
а, б — условные обозна-
чения к формулам
(VII.1)—(VII.3); в —рас-
четная схема сечения
Рис. VI 1.7. Расчетные схемы стержня сквозных
колонн:
а — схема продольного изгиба колонны на планках;
б — то же, для колонны с раскосной решеткой; в —
возникновение поперечной силы при продольном изгибе
Продольный изгиб колонны относи-
тельно материальной и свободной осей
происходит по разным расчетным схе-
мам.
, Относительно материальной оси ко-
лонна работает как центрально-сжатый
сплошной стержень, и расчет ведется
так же, как и расчет сплошной колон-
ны (см. § VII.2).
Относительно свободной оси колон-
на работает как центрально-сжатый
составной стержень, т. е. стержень,
состоящий из отдельных ветвей, соеди-
ненных связями сдвига. Если связями
являются планки, то расчетная схема
колонны относительно свободной оси
представляет собой раму (безраскос-
ную ферму) с жесткими узлами (рис.
VII.7, а). Если в качестве связей при-
меняется решетка, то расчетная схема
колонны относительно свободной оси
представляет собой раскосную ферму
(рис. VII.7, б). Узлы в такой ферме
считаются шарнирными.
В центрально-сжатых колоннах со-
ставные стержни рамного типа и со-
ставные стержни с решетками работа-
ют на продольный изгиб. Характер их
деформации при потере устойчивости
более сложный, чем для сплошных
стержней, из-за того, что прогибы оси
сквозного стержня при продольном из-
гибе увеличиваются за счет деформа-
ции растяжения и сжатия раскосов
или изгиба ветвей между планками и
самих планок. Этим объясняется по-
вышенная гибкость сквозных колонн
относительно свободной оси. Поэтому
при расчете сквозных колонн на устой-
чивость относительно свободной оси
пользуются приведенной гибкостью.
Формулы для определения приведен-
ной гибкости колонн различной кон-
струкции даны в п. 5.6 СНиП П-23-81.
Для колонн на планках рассматрива-
ется два расчетных случая:
1. При соотношении жесткостей
планок и ветвей Isll(Ibb) <5 учиты-
вают изгиб планок:
= У\2 + 0,82Xj (1 + п). (VII. 1)
87
2. При соотношении Isll(hb)>-§ из-
гибом планок пренебрегают:
Хе, = /х* + Х?. (VII.2)
Для колонн с решетками приведенная
гибкость имеет следующее выражение:
= + а* (VI 1.3)
В этих выражениях приняты следую-
щие обозначения в соответствии с рис.
VII.6: Xy = l/iy — гибкость стержня ко-
лонны в целом относительно оси у—у\
iy — радиус инерции сечения колонны
относительно оси у — у\ X\ = lbli\ — гиб-
кость отдельной ветви относительно
собственной оси 1—1 на участке между
краями приваренных планок (в свету)
1ъ', в решетчатых колоннах расчетная
длина ветви 1ь равна расстоянию меж-
ду узлами прикрепления решетки;
п = Ib\b/Isl; ои = 10a3/b2Z; 1м — момент
инерции одной ветви относительно оси
1 — /; Is — момент инерции сечения
одной планки относительно оси х— х,
обозначенной на рис. VII.6, б; а, Ь,1 —
размеры, определяемые по рис. VII.6,
а, б\ А — площадь сечения всего стерж-
ня колонны; Adi — площадь сечения
двух раскосов решетки.
Для колонн, состоящих из четырех
ветвей (см. рис. VII.5, в), приведенная
гибкость определяется по формулам,
указанным в табл. 7 СНиП 11-23-81.
Расчет стержня сквозной колонны
можно разделить на следующие этапы:
расчет сечения относительно матери-
альной оси, назначение расстояния
между ветвями, конструирование и
расчет соединительных элементов, про-
верка устойчивости колонны относи-
тельно свободной оси.
1. Расчет сечения колонны
относительно материальной
оси х-^х (см. рис. VII.6) не отлича-
ется от расчета сплошной колонны.
Предварительно задаются коэффици-
ентом продольного изгиба ф и по фор-
муле (Ш.24) определяют требуемую
8b
площадь сечения колонны. По сорта-
менту прокатных профилей подбирают
сечения ветвей Аь так, чтобы их сум-
марная площадь была не меньше тре-
буемой площади сечения А колонны.
Затем проверяют устойчивость колон-
ны относительно оси х — х по формуле
(III.11). Для этого определяют из сор-
тамента радиус инерции сечения одной
ветви вычисляют гибкость Хх =
= lef,xlix и, пользуясь табл. III. 1, нахо-
дят коэффициент ф.
2. Назначение расстояния
между ветвями колонны. Рас-
стояние между осями ветвей b (рис.
VII.6) стремятся принять таким, что-
бы обеспечить равноустойчивость ко-
лонны относительно материальной и
свободной осей. Условием равцоустой-
чивости является равенство гибкости
Хх и приведенной гибкости Xef.
~ Конструктивно расстояние b должно
быть таким, чтобы зазор между внут-
ренними кромками ветвей был не мень-
ше 150 мм для очистки и окраски
ветвей с внутренней стороны.
Для колонн на планках расстояние b
можно найти, используя формулу
(VII.2). Учитывая, что по условию
равноустойчивости Хх = Xef, требуемая
гибкость
Ху = Кх’ —X?, (VI 1.4)
где Xi принимается в пределах 30...40.
Ей соответствует радиус инерции
= 4/ ty/^y (VI1.5)
и момент инерции сечения колонны
!У=?УА, (VI 1.6)
где А — суммарная площадь сечения
обеих ветвей.
Момент инерции составного сечения
(по рис. VII.6, в) выражается через
собственные моменты инерции ветвей:
Jy=2[Ibi + (Ь/2)2Дд], (VII.7)
где 1ы — момент инерции ветви отно-
сительно оси 1—1; Аь—площадь се-
чения одной ветви.
Рис. VII.8. Работа соединительных элементов:
а — к определению расчетных усилий в соединительных планках; б — работа сварных швов, прикрепляющих план-
ку к ветви; в — к определению усилий в соединительной решетке
Из выражения (VII.7) получают не-
обходимое расстояние:
Ь = 2 И(/у —27ы)/Л"., (VI 1.8)
Где А = 2Аь — площадь всего сечения
колонны.
3. Конструирование и рас-
чет соединительных элемен-
тов. Шаг планок и расположение уз-
лов примыкания к ветвям соединитель-
ной решетки принимают такими, чтобы
гибкость ветвей Ai между планками
была не более принятой в формуле
(VII.4), а гибкость ветвей между уз-
лами решетки была не более 80 ц не
превышала гибкости kef всей колонны.
Сечением соединительных планок
задаются по конструктивным сообра-
жениям. Высота планок для придания
колонне достаточной жесткости как
составному стержню рамного типа
(рис. VII.7, а) принимается в преде-
лах ds = (0,5...0,8) Ь, где b — принятое
расстояние между ветвями. Толщина
планок принимается по условию их
местной устойчивости при сдвиге ts =
(1/30...1/50) ds.
Расчет соединительных элементов
производится на действие условной по-
перечной силы, которая возникает при
продольном изгибе колонны и прини-
мается постоянной по длине колонны
(рис. VII.7, в). Условная поперечная
сила вычисляется по формуле
Qftc = 7,15 • 10-6 (2330 — E/Ry)N/^t
(VII.9)
где N — продольное усилие в колонне;
Ф — коэффициент продольного изгиба
для колонны, принимаемый по приве-
денной гибкости kef.
Сила Qfic распределяется поровну
между двумя плоскостями планок или
решеток и прикладывается к каждой
планке или узлу решетки в виде сил
Qs = Qfid2 (рис. VII.8, а, в).
Планки как стержни безраскосной
фермы (рамы) работают на срез и
изгиб. Усилия, действующие в планке,
находят из рассмотрения равновесия
вырезанного узла относительно момент-
ных нулевых точек (рис. VII.8, а).
Такие точки при одинаковых жест-
костях планок находятся в серединах
планок и серединах панелей ветвей.
Изгибающий момент в планке
Ms = Qsl/2, (VII.10)
а перерезывающая сила
Fs = Qsl/b, (VII.11)
где I — расстояние между осями планок.
89
Проверка сечения планки на дейст-
вие усилий Ms и Fs обычно не тре-
буется, так как она имеет достаточный
запас прочности.
Расчет сварных швов, прикрепляю-
щих планки к ветвям колонны, выпол-
няется по равнодействующим напря-
жениям, возникающим от момента Ms
и срезывающей силы Fs, по формуле
Tf = Vo2 + < Rwftwr(c, (VII. 12)
где
aw = Ms/Ww; = Fs/(0,7kfds). (VII.13)
Так как усилия в швах определяют-
ся от действия условной поперечной
силы Qfic, которая может возникнуть
только после потери устойчивости ко-
лонной, то расчет швов можно выпол-
нять лишь по сечению металла шва,
а момент сопротивления Ww опреде-
лять по формуле
= 0,7 kfdl/6. (VII. 14)
В приведенных формулах Rwf,
kf — величины, определенные в § IV.3;
ds — высота планки.
Соединительную решетку сквозных
колонн выполняют из одиночных рав-
нополочных уголков, оси которых
центрируют на наружные кромки вет-
вей.
Усилия в стержнях решетки опреде-
ляются, как в ферме, к узлам которой
приложены силы Qs-^Qiic/2 (рис. VII.8,в).
Усилие в раскосе
Nd = Qs/(2sin а), (VII.15)
а требуемая площадь сечения опреде-
ляется из формулы (II 1.11) как для
сжатого стержня:
Ad = Nd/(<fRylc). (VII.16)
Здесь а — угол наклона раскоса к ветви.
4. Проверка устойчивости
ветвей обычно производятся для кс*
лонн с решетками, в которых гибкость
ветвей может быть довольно большой,
90
Устойчивость ветви проверяется отно-
сительно собственной оси сечения 1—1
(см. рис. VII.6, в) по формуле (III.11):
Nb/(yAb) <
где Nb = N/2 — усилие в ветви; Аь—
площадь сечения ветви. Коэффициент ср
определяется по гибкости ветви X] =
= hli\> где 1ъ — расчетная длина ветви,
равная для решетчатых колонн длине
ветви между узлами; Ц — радиус сече-
ния ветви относительно оси 1—1.
5. Проверка устойчивости
колонны относительно сво-
бодной оси. Пользуясь одной из
формул (VII.1), (VII.2) или (VII.3)
в зависимости от конструкции колонны,
вычисляют приведенную гибкость Xef,
по которой определяют коэффициент
продольного изгиба <р (см. табл. III.1).
Затем проверяют устойчивость по
формуле (Ш.П). Если устойчивость
колонны относительно свободной оси
не обеспечена,, увеличивают расстоя-
ние b между ветвями. Если условие
(III.11) выполняется с большим запа-
сом, то расстояние b можно умень-
шить, но так, чтобы расстояние между
внутренними кромками ветвей было не
меньше 150 мм.
VH.4. ОГОЛОВКИ И БАЗЫ
ЦЕНТРАЛЬНО-СЖАТЫХ КОЛОНН
Оголовки служат для передачи
на колонны нагрузки от опирающихся
на них конструкций. При опирании
конструкций на колонну сверху (рис,
VI 1.9, а, б) оголовок состоит из плиты
1 и системы подкрепляющих ее per
бер 2, 3. Опирание на колонну сбоку
осуществляется через опорные столики
4 (рис. VII.9, в). Нецентрированная
передача нагрузок на колонну (рис.
VII.9, в, г) может привести к появле-
нию внецентренного сжатия, если
опорные реакции левой и правой ба-
лок неодинаковы. ।
Рис. VI 1.9. Оголовки колонн:
а — при центрированном опирании балок на сплошную колонну; б — при центрированном опирании на сквозную
колонну; в — при опирании балок сбоку; г — при нецентрированном опирании сверху; 1 — плита; 2, 3 — ребра;
4 — опорный столик
Базы (башмаки) служат для пе-
редачи усилий со стержня колонны на
фундаменты. Конструкция базы должна
обеспечивать: 1) достаточно равномер-
ное распределение на поверхность фун-
дамента сосредоточенной силы; 2) жест-
кое или шарнирное закрепление ко-
лонны на фундаменте в соответствии
с принятой расчетной схемой.
В центрально-сжатых колоннах наи-
более часто применяются базы, обес-
печивающие шарнирное закрепление
Рис. VII.10. Базы колонн:
а —в — при шарнирном опирании на фундамент; г —
при жесткбм сопряжении с фундаментом; 1 — опорная
плита; 2 — траверса; 3 — ребро; 4 — анкерный болт;
5 — анкерная плита
нижнего конца колонны (рис. VII. 10,
а, в). При жестком закреплении на
фундаменте базы выполняют так, как
показано на рис. VII.10, г.
Распределение нагрузки на фунда-
мент осуществляется с помощью опор-
ных плит 1 (рис. VI 1.10). Размеры
плиты в плане зависят от расчетного
усилия в колонне N и расчетного со-
противления материала фундамента
смятию /?. Необходимая площадь пли-
ты из условия прочности материала
фундамента под плитой
Apl = N/R. (VII.17)
Плита работает на изгиб от распре-
деленной нагрузки, которой служит
отпорное давление фундамента q. При
достаточно толстых плитах отпорное
давление фундамента можно считать
равномерным и определять как
q = N/Apl = N/ВЦ (VI 1.18)
где В и L—размеры плиты в плане.
Если размеры плиты в плане полу-
чаются большими, то для уменьшения
91
Рис. VII.11. К расчету базы центрально-сжа-
той колонны:
а — расчетная схема опорной плиты; б—расчетная
схема траверсы: 1 — контур сечения колонны; 2 —
траверсы; 3 — консольный участок плиты; 4 — участок,
опертый по четырем сторонам; 5 — участок, опертый по
трем сторонам
толщины плиты ее подкрепляют вер-
тикальными листами — траверсами 2
или ребрами 3 (рис. VII.10, б — г),
приваренными к стержню колонны.
В этом случае плита начинает рабо-
тать на изгиб на отдельных участках,
окаймленных ребрами или траверса-
ми, что приводит к уменьшению изги-
бающих моментов и толщины плиты.
Контур сечения колонны и траверсы
делят плиту на пластинки, опертые по
одной, двум, трем или четырем сторонам
(рис. VII.11, а) и загруженные равно-
мерно распределенной нагрузкой q.
Изгибающие моменты в таких плас-
тинках определяют с помощью таблиц,
разработанных Б. Г. Галеркиным (Га-
леркин Б. Г. Упругие тонкие плиты —
М.: Гостехиздат, 1936), а требуемая
толщина плиты определяется по фор-
муле
tpl = ГбТИтах/^, (VII. 19)
где Afmax — наибольший из вычисленных
для пластинок изгибающих моментов;
Ry — расчётное сопротивление матери-
ала плиты при изгибе.
Толщину опорных плит обычно при-
нимают 16—50 мм. Усилия со стержня
колонны на плиту могут передаваться
двумя способами: через фрезерованный
торец колонны либо через сварные
швы. В первом случае (см. рис.
VII.10, а) сварные швы служат только
для фиксирования колонны на плите.
Базы с фрезерованными торцами ко-
лонн применяются в тяжело нагру-
женных конструкциях. Толщина плит
в таких базах может достигать 200—
300 мм.
Траверсы баз колонн могут иметь
различное конструктивное решение.
Чаще их выполняют из листовой ста-
ли толщиной 10—12 мм или из швел-
леров. Траверсы рассчитываются как
двухконсольные балки, заделанные в
стержне колоний и загруженные по-
гонной нагрузкой qtr = qBfo, которая
собирается на траверсу с половины
ширины плиты. Расчетная схема и
эпюра изгибающих моментов в тра-
версе приведены на рис. VII.11, б.
Базы к фундаментам крепятся с по-
мощью анкерных болтов диаметром
20—30 мм. В базах с шарнирным
опиранием количество и диаметр бол-
тов принимаются конструктивно (без
расчета). Базы с жестким опиранием
отличаются от баз с шарнирным опи-
ранием тем, что для защемления базы
на фундаменте и передачи изгибающе-
го момента со стержня колонны на
фундамент анкерные болты крепятся
к базе через траверсы (рис. VII.10, г),
изгибная жесткость которых соизме-
рима с жесткостью колонны. Коли-
чество и диаметр анкерных болтов в
этом случае определяются расчетом на
прочность.
92
Глава VIII. МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ОГРАЖДАЮЩИЕ КОНСТРУКЦИИ
VIII.1. МАТЕРИАЛЫ
ДЛЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ
ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ
Металлические ограждающие конст-
рукции, обладающие значительно мень-
шей массой, чем железобетонные, при-
меняются в зданиях со стальными
каркасами [6]. Ограждающие конст-
рукции стен и покрытий собираются
только из металлических листов либо
представляют собой многослойные сис-
темы, образованные из металлических
листов и утеплителя.
Материалом для металлических стен
и покрытий служат стали, алюминие-
вые сплавы и различного вида утепли-
тели.
Стальные листовые профили для об-
шивок стен и облицовки панелей изго-
тавливаются из углеродистой кипящей
стали толщиной 0,8 мм. Для защиты
листов от коррозии применяются оцин-
кование, окраска или покрытия из
пластмасс. Некоторые профили сталь-
ных листов для стен даны на рис. VIII. 1«
Листовой профиль из алюминиевых
сплавов для наружных стен зданий
показан на рис. VI11.2.
Рис. VII 1.1. Профилированные стальные листы
для стен зданий:
а — желобчатый; б— о частым и редким рифлением;
т— трапециевидный; г — волнистый; д — ребристый;
? ** фасонный g разными формами волн
В качестве утеплителей для метал-
лических ограждающих конструкций
наиболее часто применяют пенополи-
уретан и пенополистирол, а также
минеральное и стеклянное волокно.
Пенополиуретан — легкий теплоизо-
ляционный материал плотностью око-
ло 50 кг/м3. Жидкие компоненты это-
го утеплителя вводятся в свободное
пространство между стальными внут-
ренними и наружными листами, где
они вспучиваются и твердеют. Недо-
статок пенополиуретана — легкая сго-
раемость.
Пенополистирол обычно применяется
в виде плит, которые закладываются
между стальными облицовками ограж-
дающих конструкций. Плотность пено-
полистирола в зависимости от качества
изготовления — от 16 до 40 кг/м3.
Утеплители из минеральной ваты
выпускаются в виде плит или матов.
В качестве связующего применяются
синтетические смолы с добавкой плас-
тификаторов. Плотность таких плит и
матов в зависимости от их жесткости —
50—150 кг/м3.
Стеклянное штапельное волокно,
склеенное синтетическими смолами, об-
ладает хорошими звукоизолирующими
свойствами и выпускается в виде ма-
тов и плит плотностью 25—75 кг/м\
VIII.2. КОНСТРУКЦИИ
МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СТЕН
Металлические стены в зависимости
от способа изготовления могут быть
разделены на стены полистовой сбор-
ки и стены из панелей.
юоо
Рис. VIII.2. Профилированный лист из алю-
миниевого сплава для стен
93
Рис. VIII.3. Фрагмент каркасной
стеновой панели:
1 — утеплитель; 2 — наружная обшивка;
_ стальной каркас
Рис. VIII.4. Стеновая панель с
обшивками, предварительно напря-
женными сгяжным устройством:
а — методом защелкивания; б — стягива-
нием обшивок болтами; /-обшило;
2 — каркас; 3 — минераловатный утеп-
литель; 4 —стяжной болт
Стены полистовой сборки устраи-
ваются путем послойного монтажа и
крепления отдельных элементов к
каркасу здания и состоят из двух ме-
таллических обшивок (внутренняя об-
шивка может выполняться и из дру-
гого материала) и плитного утеплите-
ля, расположенного между ними.
Применяется также укрупнительная
сборка стен в горизонтальном поло-
жении в так называемые «картины»
шириной 6 м (расстояние между колон-
нами) и длиной до 12 м. Собранные
«картины» поднимаются в вертикальное
положение и крепятся к каркасу.
В4
Стены могут собираться из длинных
алюминиевых предварительно напря-
женных лент, которые крепятся к ко-
лоннам горизонтальными рядами. Ча-
ще такая конструкция стен использует-
ся в неотапливаемых зданиях.
Металлические стеновые панели мо-
гут быть каркасными или бескаркас-
ными.
Каркасные панели (рис. VIII.3)
имеют каркас, состоящий из продоль-
ных и поперечных ребер, выполненных
из горячекатаных или холодноформо-
ванных профилей, к которому крепятся
металлические гладкие или профили-
Рис. VI11.5. Трехслойная стеновая панель:
/ — утеплитель; 2 — профилированные стальные на-
ружная и внутренняя обшивки; 3 — стойка стенового
фахферка
рованные обшивки с утеплителем.
Каркас в стеновых панелях обычно
устраивается по одну сторону от об-
шивок с утеплителем и располагается
внутри здания, заменяя элементы
фахферка. Панели с гладкими плоски-
ми обшивками называются мембран-
ными. Для повышения их жесткости
может применяться предварительное
напряжение обшивок (см. § IX.2). На
рис. VIII.4 показаны конструкции мем-
бранных панелей с предварительно
напряженными обшивками. Панели
с профилированными обшивками бо-
лее жесткие, что особенно существенно
при порывах ветра.
На рис. VIII.5 показана каркасная
трехслойная панель с утеплителем из
двух слоев минераловатных плит, раз-
работанная ленинградским институтом
Промстройпроект.
Бескаркасные панели представляют
собой конструкцию, в которой утепли-
тель включается в работу панели, вы-
полняя функции связей сдвига между
обшивками при ее изгибе. Для этого
между утеплителем и обшивками
Рис. VIII.6. Бескаркасная стеновая панель
типа «сандвич»:
/ — полиуретановый утеплитель; 2 — металлические'
профилированные обшивки
должно быть обеспечено надежное
сцепление. Наиболее распространены
в нашей стране и за рубежом панели
типа «сандвич», состоящие из двух
металлических профилированных об-
шивок и расположенного между ними,
вспененного полиуретанового утепли-
теля (рис. VIII.6).
VIII.3. ОГРАЖДАЮЩИЕ
КОНСТРУКЦИИ ПОКРЫТИИ
Для покрытий промышленных и
гражданских зданий применяются
стальной профилированный настил, а
также двух- и трехслойные металли-
ческие панели.
В покрытиях полистовой сборки не-
сущим элементом ограждающих кон-
струкций служит стальной оцинкован-
ный профилированный настил, который
укладывается на прогоны либо непо-
средственно на верхние пояса несущих
конструкций покрытий, например про-
странственных решетчатых покрытий,
описанных в § Х.7, или стропильных
ферм. В теплых кровлях по настилу
укладывается паро-, тепло- и гидроизо-
ляция.
Металлические панели покрытий так
же, как и для стен, могут изготавли-
ваться бескаркасными или каркас-
ными. В качестве бескаркасных приме-
няются трехслойные панели типа
«сандвич» или двухслойные монопа-
нели, состоящие из несущего сталь-
ного профилированного листа с уло-
женным сверху теплоизоляционным
95,
Рис. VIII.7. Использование стального профили-
рованного настила в междуэтажных перекры-
тиях:
а — с одним настилом; б — с двумя настилами; 1 —
профилированный настил; 2 — набетонирование; 3 —
два сваренных вместе профилированных настила; 4 —
€алки междуэтажного перекрытия
слоем из пенополиуретана или феноль-
ного пенопласта с приформованным
слоем гидроизоляции.
Каркасные конструкции применяют-
ся при пролетах панелей 12 м и более.
В настоящее время решается задача
создания панелей «на пролет» раз-
мерами 3X24, 3X30, 3X36 м. При
их применении отпадает необходи-
мость в стропильных фермах.
Стальной профилированный настил
применяется не только в покрытиях,
но и как несущая конструкция для
междуэтажных перекрытий зданий со
стальными каркасами. По профилиро-
ванному настилу выполняется набето-
нирование, затем укладываются вы-
равнивающий слой и настил пола.
Снизу профилированный настил за-
крывается подвесным потолком.
За рубежом выпускают стальные
профилированные настилы высотой
800 мм для применения в перекрытиях
под большие нагрузки. Иногда исполь-
зуют два составленных вместе, и сва-
, ренных профилированных настила
(рис. VIII.7).
VIIU. ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ
МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ОГРАЖДАЮЩИХ
КОНСТРУКЦИИ
Обоснованный выбор ограждающих
конструкций обеспечивает экономич-
ность, надежность и длительную экс-
плуатацию здания и позволяет придать
ему надлежащий архитектурный облик.
К положительным качествам метал-
лических стен и покрытий нужно в
первую очередь отнести их малую мас-
су и простоту монтажа. Если исполь-
зование профилированного настила в
покрытиях, как правило, оказывается
эффективным, то при устройстве ме-
таллических стен, в особенности в
гражданских зданиях, приходится стал-
киваться с рядом трудностей. При
транспортировании и монтаже сложно
сохранить в целости защитные по-
крытия наружных листов. Возни-
кают трудности с обеспечением надле-
жащей герметичности и хорошего
внешнего вида стен в местах стыков
листов или панелей, а также около
оконных и дверных проемов. Поэтому
металлические стены больше применя-
ются в производственных зданиях.
При выборе материала стен и покры-
тий важно учесть долговечность на-
ружных обшивок, утеплителя и кре-
пежных деталей.
Долговечность наружных стальных
обшивок зависит от климатических
условий и степени агрессивности окру-
жающей среды, поэтому важно пра-
вильно выбрать защитные покрытия.
Наиболее эффективно покрытие внеш-
ней стороны оцинкованных листов
слоем полимерной пленки. Распростра-
ненная за рубежом технология покры-
тия пластмассами «Койл Коутинг»
обеспечивает отделку, близкую по
качеству к отделке легковых автомоби-
лей. Высокой надежностью и хоро-
шими декоративными качествами отли-
чаются фарфоровые и стеклянные
эмали, однако их стоимость вели-
ка. Наиболее широко применяются за-
96
щитные лакокрасочные покрытия.
В Советском Союзе разработан ряд
составов покрытий с расчетным сро-
ком службы от 5 до 25 лет. Повышен-
ной надежностью и долговечностью
отличается покрытие типа «Версакор»,
состоящее из слоев цинка, эпоксид-
ной смолы и лакокрасочного покры-
тия,
На долговечность утеплителя влия-
ют нагрев солнцем наружных метал-
лических обшивок, пульсация ветро-
вого потока, степень влагопоглощения
материала утеплителя и другие фак-
торы.
Противопожарные требования рег-
ламентируют использование легких ме-
таллических стен и покрытии со сго-
раемыми и трудносгораемыми утеп-
лителями. Применение металлических
стен с полимерными утеплителями
разрешается только для одно- и двух-
этажных производственных зданий, а
также для складских помещений. Нор-
мативами установлены предельно до-
пустимые площади этажей между
противопожарными стенами в зависи-
мости от вида утеплителей, категорий
производств в соответствии с их по-
жарной опасностью, а также наличия
установок автоматического пожароту-
шения. Площади этажей зданий с лег-
кими металлическими стенами не
должны превышать 2600—5200 м2.
Глава IX. ПРЕДВАРИТЕЛЬНО НАПРЯЖЕННЫЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ
КОНСТРУКЦИИ
1Х.1 ЦЕЛИ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО
НАПРЯЖЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ
КОНСТРУКЦИИ
Предварительно напряженными на-
зывают такие конструкции, в которых
на стадии изготовления, монтажа или
при усилении во время эксплуатации
искусственными мерами создаются
напряжения, благоприятно влияющие
на работу конструкции.
Предварительно напряженные строи-
тельные металлические конструкции по-
явились в 30-е годы сначала в рамных
системах, мостах и мачтах, а затем
распространились на балки, фермы,
вантовые и висячие системы. Методы
расчета и основы конструирования
предварительно напряженных метал-
лических конструкций подробно изло-
жены в книге [1],
Предварительное напряжение позво-
ляет: повышать несущую способность
конструкций либо уменьшать металло-
емкость за счет расширения области
упругой работы элементов; повышать
устойчивость сжатых элементов; умень-
шать перемещения от временных на-
грузок; обеспечивать геометрическую
неизменяемость конструкций; наибо-
лее полно использовать высокопроч-
ные материалы при работе на растя-
жение.
Во многих случаях эффект достига-
ется одновременно по нескольким
направлениям. Например, в тросовых
конструкциях наряду с обеспечением
неизменяемости снижаются упругие
деформации.
Предварительное напряжение осу-
ществляется принудительным деформи-
рованием конструкции, которое выпол-
няется так, чтобы вызвать в ее эле-
ментах начальные напряжения, обрат-
ные по знаку напряжениям от эксплуа-
тационной нагрузки. Тогда при экс-
плуатационной нагрузке сначала будут
погашаться начальные напряжения, и
предварительно напряженные элемен-
ты конструкции в этот период будут не
нагружаться, а разгружаться. И лишь
после этого напряжения в элементах
начнуть возрастать.
Начальные деформации в металличе-
ских конструкциях создаются двумя
группами способов: 1) непосредствен-
4 5-487
97
ным дёфдрйирбвайиём конструкции
или ее отдельных элементов выги-
бом, растяжением или обжатйем, за-
ведомым искажением геометрической
схемы конструкции при изготовлении
либо смещением опор при монтаже;
2) постановкой дополнительных эле-
ментов — затяжек или шпренгелей из
высокопрочной стали, при натяжении
которых создается обжатие или выгиб
основных элементов конструкции.
Создание начальных напряжений
возможно лишь в статически неопреде-
лимых системах. Поэтому предвари-
тельное напряжение статически опре-
делимых конструкций можно выпол-
нять только способами второй группы,
так как постановка затяжек и шпрен-
гелей придает конструкции статиче-
скую неопределимость.
IX.2. ПОВЫШЕНИЕ НЕСУЩЕЙ
СПОСОБНОСТИ КОНСТРУКЦИЙ
Увеличение несущей способности
конструкций достигается за счет пере-
распределения усилий в элементах
так, что разрушение материала или
появление пластических деформаций
наступает при большей нагрузке, чем
в системе без предварительного напря-
жения.
Такое повышение несущей способно-
сти возможно для элементов, работа-
ющих на растяжение или изгиб, а
также для конструкций, в состав кото-
рых эти элементы входят.
Наиболее широко применяются сле-
дующие способы повышения несущей
способности: 1) создание предвари-
тельного напряжения затяжками из вы-
сокопрочных материалов; 2) принуди-
тельное смещение опор во внешне ста-
тически неопределимых системах (не-
разрезных балках и фермах, рамах,
арках); 3) упругий выгиб или растя-
жение отдельных элементов конструк-
ции перед сборкой.
98
Рис. IX. 1. Стержень, предварительно напря-
женный затяжкой:
а — конструкция комбинированного стержня; б — диа-
грамма работы стержня при обжатии затяжкой н рас-
тяжении внешней нагрузкой; 1 — жесткий стержень;
2 — высокопрочная затяжка
Создание предварительного напря-
жения затяжками из высокопрочных
материалов. Эффект повышения несу-
щей способности поясним на примере
стержня, работающего на растяжение
(рис. IX. 1, а). Затяжка размещается
по оси стержня и натягивается с помо-
щью домкрата на упоры, расположен-
ные на концах стержня.
Из диаграммы на рис. IX.1,6 видно,
что несущая способность обычного
стержня без затяжки ограничивается
тем, что напряжения в его сечениях
достигают величины расчетного сопро-
тивления R (участок диаграммы ОВ).
Предельная эксплуатационная нагруз-
ка в этом случае N\ = R-An, гд& Ап —
площадь нетто сечения стержня.
Если установленную на стержень
затяжку натянуть силой NQt то в сече-
ниях стержня возникнут начальные
напряжения сжатия оо=Л/оМп. После
приложения эксплуатационной растя-
гивающей нагрузки сначала на участке
СО будет погашаться начальная сила
сжатия jVo, з затем на участке ОВ
a
ппшппшшпшпшшшшшши
Рис. IX.2. Предварительное напряжение балок
затяжками:
а — размещение затяжки в однопролетной балке; б— то
же, в многогролетной неразрезной балке; в — схема ре-
гулирования усилий в балке, эпюра изгибающих мо-
ментов от эксплуатационной нагрузки; г — эпюра мо-
ментов от предварительного напряжения затяжки-
д— суммарная эпюра
дальнейшее приращение нагрузки бу-
дет восприниматься уже растянутым
стержнем до тех пор, пока напряжения
в его сечениях не достигнут величины
R. Таким образом, протяженность уча-
стка работы предварительно напря-
женного стержня СОВ увеличивается
по сравнению с длиной ОВ участка
работы стержня без предварительного
напряжения и предельная эксплуата-
ционная нагрузка N2 = No + Wi,
Приведенная на рис. IX.1, б диаграм-
ма отражает общий для всех сущест-
вующих способов предварительного
напряжения при^ци^пов^шеддея несу-
щей способности конструкции за счет
сложения напряжений разных знаков,
последовательно возникающих в кон-
струкции.
В разрезных балках затяжки вво-
дятся под нижними растянутыми поя-
сами (рис. IX.2, а), а в неразрезных
могут размещаться также в растяну-
тых зонах верхних поясов над опорами
(рис. IX.2, б).
На рис. IX.2, в показана балка,
загруженная распределенной нагруз-
кой q, вызывающей положительные из-
гибающие моменты Mqt При натяжении
затяжки возникают горизонтальные
силы Я, которые вызывают в балке
отрицательные изгибающие моменты
от предварительного напряжения А1пн =
= 77 - е (рис. IX.2, г). В результате
сложения изгибающих моментов Mq и
Л4ПН суммарная эпюра (рис. IX.2, д)
оказывается более равномерной по
длине балки, и материал используется
наиболее полно не в одном, а в не-
скольких сечениях. Изменяя силу натя-
жения затяжки Я, а следовательно,
и эпюру Мпн, можно регулировать
усилия в балке в нужном направлении,
например добиваясь равенства изги-
бающих моментов в пролете А4пр и на
опорах AU.
С помощью предварительного на-
пряжения можно уменьшить вес ба-
лок на 15—20 %. Предварительное
напряжение затяжками эффективно в
фермах больших пролетов (свыше
42 м).
Существует несколько способов раз-
мещения затяжек в фермах. Наиболь-
ший эффект — до 30 % сокращения
затрат стали — дают затяжки, выне-
сенные за пределы фермы (рис. IX.3, а).
В этом случае можно одной затяжкой
разгрузить все стержни. Однако такое
решение приводит к увеличению габа-
рита ферм. Хороших результатов мож-
но достичь, используя одну затяжку
ломаного очертания, расположенную в
пределах габарита фермы, что позво-
4*
99
Рис. IX.3. Размещение затяжек в фермах:
а, б —для регулирования усилий во всех стержнях
фермы; в — для регулирования усилий в нижнем поясе;
г — размещение затяжек в пределах сечения стержня;
1 — затяжки; 2 — диафрагмы
ляет разгрузить одновременно нижний
пояс и ряд стержней решетки (рис.
IX.3, б). В фермах с сегментным очер-
танием верхнего пояса, в которых ре-
шетка оказывается слабо нагруженной,
рационально применять прямолиней-
ную затяжку, расположенную вдоль
нижнего пояса (рис. IX.3, в). В тяже-
лых фермах, в стержнях которых уси-
лия превышают 2000^3000 кН, может
оказаться выгодным напрягать затяж-
ками отдельные стержни. При этом
может быть достигнута экономия стали
15 %.
Затяжки располагаются либо в цент-
ре тяжести сечения стержня, либо
симметрично относительно центра тя-
жести (рис. IX.3, г) и связываются
со стержнем . диафрагмами, которые
обеспечивают его устойчивость при
сжатии от предварительного напря-
жения.
Сравнительно просто осуществляется
предварительное напряжение затяж-
ками в рамных и арочных системах
(рис. IX.4).
Экономический эффект предвари-
тельного напряжения конструкции за-
тяжками достигается не только регули-
рованием усилий, но и благодаря воз-
можности рационального использова-
ния высокопрочных сталей в затяжках,
которые обычно выполняются из сталь-
ных канатов, пучков высокопрочной
проволоки, круглых стержней арматур-
ной стали.
Принудительное смещение опор во
внешне статически неопределимых си-
стемах. Этот способ предварительного
напряжения применяется в неразрез-
ных балках и фермах, а также в ста-
тически неопределимых рамах и арках
и оказывается наиболее простым.
Рассмотрим пример неразрезной двух-
пролетной балки постоянного сечения
(рис. IX.5, а). При загружений балки
нагрузкой q опорный изгибающий мо-
мент Л1оп оказывается больше пролет-
б
Рис. IX.4. Предварительное напряжение за-
тяжками:
а рам; б — арок; 1 затяжки
100
д
Рис. IX.5. Регулирование усилий в неразрезных балках смещением опор:
а —схема неразрезной балки; б —эпюра изгибающих моментов от эксплуатационной нагрузки; в силовые воз*
действия на балку при понижении уровня промежуточной опоры; г — эпюра моментов от смещения опоры; д —*
суммарная эпюра моментов; е — вантовая система с неразрезной балкой жесткости; ж — эпюра моментов в балке
от эксплуатационной нагрузки; з — эпюра моментов от предварительного натяжения вант; и —суммарная эпюра
моментов
ного Л4пр (рис. IX.5, б). Такое нерав-
номерное распределение усилий невы-
годно, так как все сечения, кроме опор-
ного, остаются недонапряженными.
Если во время монтажа осуществить
понижение средней опоры А, что рав-
носильно приложению силы /?2 направ-
ленной вниз (рис. IX.5, в), то в балке
возникнут положительные моменты
предварительного напряжения Л4ПН
(рис. IX.5, а).
Так как эпюра моментов Л4ПН зави-
сит от А, то суммарная эпюра момен-
тов (рис. IX.5, б) может регулиро-
ваться изменением уровня опоры. За-
даваясь соответствующей А, можно
выравнять опорный и пролетные мо-
менты, что для балки постоянного
сечения будет наиболее выгодно.
Подобным образом регулируются
усилия в неразрезных балках жестко-
сти комбинированных вантовых систем,
например в вантовых мостах (рис.
IX.5, е), где ванты служат для балки
упругими опорами. Предварительным
натяжением или ослаблением вант, что
равносильно изменению уровня опор
балки жесткости, можно получить та-
кую эпюру моментов предварительного
напряжения Л1пн (рис. IX.5, з), которая
при сложении с эпюрой моментов от
эксплуатационной нагрузки Mq (рис.
IX.5, ж} даст наиболее выгодную сум-
марную эпюру изгибающих моментов
(рис. IX.5, и).
Упругий выгиб или растяжение от-
дельных элементов конструкции перед
сборкой применяется в настоящее
101
Рис. 1Х.6. Способы натяжения обшивки па-
нелей:
а — изгибом каркаса; б — линейное; в — рычагом; г —
стягиванием обшивок; 1 — каркас; 2 — обшивка; 3 —
натяжные болты; 4 — рычаг
время при изготовлении каркасных
кровельных панелей со стальными об-
шивками, блочно-балочных конструк-
ций, покрытий со стальными обшивка-
ми, двутавровых балок составного се-
чения.
Если верхнюю обшивку панели перед
сборкой растянуть, то обшивка сможет
воспринимать сжимающие усилия при
действии эксплуатационной нагрузки.
Натяжение обшивки может выполнять-
ся методом изгиба элементов каркаса
с последующим выпрямлением и свар-
кой (рис. IX.6, а), методом линейного
натяжения обшивки на каркас с по-
мощью болтов (рис. IX.6, б), методом
защелкивания с помощью натяжного
рычага (рис. IX.6, в), методом стяги-
вания обшивок болтами (рис. IX.6, г).
В блочной конструкции покрытия
применяется предварительное напря-
жение верхней обшивки методом ли-
нейного натяжения либо используются
описанные выше предварительно на-
пряженные панели в качестве верхнего
пояса блока.
IX.3. ПОВЫШЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ
И ЖЕСТКОСТИ КОНСТРУКЦИЙ
Повышение устойчивости и жест-
кости оказывается возможным за счет
включения в работу на сжатие гибких
элементов — тросов, пучкор высоко-
прочной проволоки и др.
Работа гибких стержней на сжатие
достигается созданием в них начальных
растягивающих усилий — больших, чем
сжимающие усилия от эксплуатацион-
ной нагрузки. В этом случае гибкий эле-
мент всегда остается растянутым и
участвует в работе конструкции. Если
усилия сжатия превысят растягива-
ющие силы предварительного натяже-
ния, то гибкий элемент выключается
из работы в конструкции.
Повышение устойчивости сжатых
стержней достигается уменьшением их
расчетной длины. Для этого сжатый
стержень 1 (рис. IX.7, а) усиливают
пространственным шпренгелем, состо-
ящим из гибких тяг 2 и распорок 3.
Предварительным напряжением тяг
распорки включаются в работу и удер-
живают стержень 1 от бокового сме-
щения. Теперь его расчетная длина
определяется между точками примы-
кания распорок. Несущая способность
полученной шпренгельной стойки по-
Рис. IX.7. Повышение устойчивости и жест-
кости конструкций с помощью предваритель-
ного напряжения:
а — схема стойки, усиленной гибкими тягами; б — рас-
четная схема башни с гибкой крестовой решеткой без
предварительного напряжения (сжатые стержни услов-
но исключены): в — то же, с предварительным напряже-
нием; / — жесткий стержень; 2— тяги: 3 — распорки
102
Йшается, несмотря на дополнитель-
^Ъка^гие 6т предка пряжения.
Повышение жесткости конструкций
с помощью предварительного напря-
жения возможно несколькими спосо-
бами. Наиболее общий — способ вклю-
чения гибких элементов в работу на
сжатие. Такой прием используется, на-
пример, в башнях с гибкой крестовой
решеткой. На рис. IX.7, б приведена
расчетная схема башни с гибкой ре-
шеткой без предварительного напря-
жения, когда в работу включаются
лишь растянутые от эксплуатацион-
ной нагрузки раскосы. Расчетная схема
башни с предварительно растянутыми
стержнями показана на рис. IX.7, в.
Повышение жесткости тросовых (из
витых канатов) элементов достигается
при предварительном напряжении из-
за увеличения модуля деформаций
тросов по мере их натяжения. Предва-
рительная вытяжка тросов позволяет
устранить неупругие деформации, явля-
ющиеся следствием свивки отдельных
проволок в пряди.
Предварительное напряжение про-
висающих нитей повышает их жест-
кость за счет уменьшения стрелы про-
веса. Стержни, работающие как про-
висающие нити, встречаются в висячих
покрытиях, висячих и вантовых мос-
тах, оттяжках мачт.
- Обеспечение неизменяемости систем.
Предварительное напряжение не толь-
ко улучшает работу и снижает затраты
стали в традиционных конструкциях,
которые могут существовать и без
Глава X.
Х.1. ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ
И ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ
К КОНСТРУКЦИЯМ
Большие пролеты покрытий совре-
менных зданий общественного и произ-
водственного назначения составляют
50—100 м и в отдельных случаях до-
стигают 200 м и более.
БОЛЬШЕПРОЛЕТНЫЕ ПОКРЫТИЯ С ЖЕСТКИМИ ЭЛЕМЕНТАМИ
Рис. IX.8. Стабилизация висячих конструкций
с помощью предварительного напряжения:
а — схема деформации (показана штриховой линией)
тросовой фермы с раскосной решеткой без предвари-
тельного напряжения; б •=— то же. для безраскосной
тросовой фермы
предварительного напряжения, оно
также обеспечивает геометрическую не-
изменяемость конструкций и поэтому
применяется как прием их создания.
Благодаря предварительному напря-
жению получили широкое распростра-
нение висячие и вантовые системы.
Роль предварительного напряжения
для таких систем хорошо видна на
примере тросовых ферм. Если в тро-
совой решетчатой ферме (рис. IX.8, а)
не обеспечить предварительным натя-
жением работу гибких стержней на
сжатие, то ферма фактически превра-
тится в гибкую нить АОВ и все осталь-
ные элементы из работы исключаются.
То же самое произойдет с безраскос-
ной тросовой фермой, показанной на
рис. IX.8, б.
Применение больших пролетов в об-
щественных зданиях — рынках, вокза-
лах, крытых стадионах, концертных и
спортивных залах — обусловлено экс-
плуатационными и архитектурными
требованиями. В зданиях производст-
венного назначения большие пролеты
предусматриваются в соответствии с
требованиями технологического про-
103
цесса (сборочные цехи самолетостро-
ительных, судостроительных и маши-
ностроительных заводов, ангары) или
для экономии полезной площади по-
мещений (гаражи, троллейбусные пар-
ки и т. д.).
Покрытия больших пролетов отли-
чаются разнообразием конструктивных
форм. Выбор той или иной конструк-
ции покрытия определяется:
1. Архитектурно-планировочными тре-
бованиями (форма здания в плане,
конфигурация покрытия исходя из
функционального объема, наличие под-
весного потолка, возможность совме-
щения конструкций стен с опорными
конструкциями покрытия и др.).
2. Инженерными требованиями (воз-
можность передачи горизонтального
распора на грунт, условия отвода воды
с покрытия, необходимость размеще-
ния коммуникаций в пределах строи-
тельной высоты покрытия).
3. Требованиями эксплуатации (на-
личие подвесного подъемно-транспорт-
ного или другого оборудования,
обеспечение заданных акустических
свойств помещения).
4. Требованиями изготовления и мон-
тажа конструкций (технологичность
заводского изготовления, условия
транспортирования, скоростной мон-
таж, минимальная металлоемкость и
стоимость).
Основная нагрузка на большепролет-
ные покрытия — постоянная нагрузка
от собственного веса несущих и ограж-
дающих конструкций. Поэтому повыше-
ние эффективности конструкций по-
крытий связано в первую очередь с
уменьшением их массы за счет: при-
менения легких ограждающих кон-
струкций; использования высокопроч-
ных сталей и алюминиевых сплавов в
несущих конструкциях; предваритель-
ного напряжения конструкций; вклю-
чения ограждающих конструкций в
совместную работу с несущими; кон-
центрации материала в основных несу-
щих элементах для более полного
использования его прочностных свойств
и уменьшения числа вспомогательных
элементов.
Для покрытий больших пролетов
существенно влияние отрицательных
(направленных вверх) нагрузок от дей-
ствия отсоса ветра, интенсивность ко-
торого может превышать постоянные
нагрузки. Профиль покрытия должен
обеспечивать минимальную снеговую
нагрузку.
Х.2. КЛАССИФИКАЦИЯ ? „
БОЛЬШЕПРОЛЕТНЫХ ПОКРЫТИЙ /fl
Большепролетные покрытия можно
разделить на плоскостные и простран-
ственные.
Плоскостные покрытия состоят из
расположенных с определенным шагом
отдельных ферм, рам, гибких нитей
и др., каждая из которых работает
обособленно на нагрузки, приложен-
ные в ее плоскости. Плоские несущие
конструкции соединяются между собой
второстепенными элементами (связя-
ми, прогонами).
В пространственных покрытиях в
работу включаются все несущие эле-
менты, вследствие чего по затратам
металла они обычно экономичнее, чем
плоскостные.
Как плоскостные, так и простран-
ственные системы могут быть образо-
ваны из жестких конструктивных эле-
ментов, способных воспринимать сжа-
тие или изгиб, и из гибких элементов,
которые могут работать только на рас-
тяжение (а для оболочек и на сдвиг).
По конструкции покрытия больших
пролетов можно разделить на плоско-
стные с жесткими элементами: балоч-
ные, арочные, рамные; пространствен-
ные с жесткими элементами: двухсет-
чатые стержневые системы типа струк-
тур и перекрестных ферм; односетча-
тые оболочки; ребристые купола, обра-
зованные из радиально расположенных
плоских конструктивных элементов;
плоскостные и пространственные вися-
104
$чие системы: вантовые; мембранные;
плоскостные и пространственные ком-
бинированные системы, состоящие из
жестких балок с гибкими нитями, же-
стких балок с гибкими арками и др.
Х.З. БАЛОЧНЫЕ КОНСТРУКЦИИ ПОКРЫТИИ
Большепролетные балочные покры-
тия обычно используют при пролетах
50—100 м. Преимущество балочных
систем — их безраспорность. На ниже-
лежащие конструкции передаются толь-
ко вертикальные опорные реакции, так
как горизонтальные реакции от верти-
кальных нагрузок в балочных систе-
мах не возникают. Это упрощает кон-
струкцию зданий.
Основными элементами балочных
покрытий являются плоские, спарен-
ные в блоки или трехгранные фермы.
Плоские фермы соединяются между
собой горизонтальными и вертикаль-
ными связями и прогонами, которые
так же, как и в покрытиях средних
пролетов, обеспечивают пространствен-
ную жесткость покрытия и устойчи-
вость отдельных стержней ферм (см.
§ VI.4).
Балочные покрытия применяются в
зданиях прямоугольной формы или
близкой к ней. Компоновка покрытий
больших пролетов выполняется по
нормальной или усложненной схеме.
Нормальная схема компоновки (рис.
Х.1, а) обычно используется при шаге
ферм 6 и 12 м. Между фермами укла-
дываются прогоны, поддерживающие
кровельный настил. При шаге главных
ферм 18, 24 м и более переходят на
усложненную схему компоновки (рис.
Х.1, б) со вспомогательными ферма-
ми. Индустриальными являются по-
крытия из объемных блоков (рис. Х.1,
в, г), при монтаже которых не тре-
буются связи.
>^При проектировании тяжелых ферм
г больших пролетов используются те же
основные принципы, что и при проек-
тировании легких ферм (см. гл. VI).
Так как при больших пролетах глав-
ной задачей является уменьшение соб-
ственного веса, то рациональны поли-
гональные, сегментные и параболи-
ческие фермы (рис. Х.1, д, е). Более
равномерное распределение усилий
вдоль их поясов позволяет полнее
использовать материал. Кроме того,
уменьшаются усилия в решетке.
Высота большепролетных ферм обыч-
но диктуется требованиями жесткости.
Поэтому при очень больших пролетах
рациональны ромбическая (рис. Х.1, д)
и крестовая (рис. Х.1, е) решетки,
отличающиеся большой жесткостью.
Эти решетки позволяют также умень-
шить расчетную длину стержней в
плоскости фермы и осуществлять пере-
возку укрупненными отправочными
элементами (см. рис. VI.6, б).
Главный недостаток балочных кон-
струкций — большая строительная вы-
сота, которая уменьшает полезный
объем здания и усложняет транспорти-
рование. Высота ферм с параллель-
ными поясами й=(1/8—1/16)7, трапе-
цеидальных h = (1/7—1/11)/, сегмент-
ных h = (1/8—1/12) /.Здесь I—про-
лет фермы.
Так как для ферм больших пролетов
длина панелей поясов, зависящая от
высоты h, значительно превосходит раз-
меры кровельных настилов или плит,
то для передачи нагрузки в узлы фер-
мы часто применяется шпренгельная
решетка (см. рис. VI.4, д). Устройство
шпренгелей, кроме того, повышает
устойчивость сжатого пояса в плоско-
сти фермы.
Основное отличие тяжелых ферм
больших пролетов от легких стропиль-
ных ферм в том, что при больших
усилиях и длинах стержней требуются
развитые сечения (рис. Х.1, ж). Для
передачи больших усилий между эле-
ментами применяются двухступенчатые
(с двумя фасонками) узлы (рис. Х.1, з).
Конструкция узлов должна обеспечи-
вать членение ферм на мелкие отпра-
вочные элементы. Поэтому в пределах
105
3
узлов предусматриваются монтажные
стыки, которые удобнее выполнять на
высокопрочных болтах. При конструи-
ровании узлов тяжелых ферм особое
внимание должно обращаться на сни-
жение концентрации напряжений, так
как при больших толщинах фасонок
повышается склонность к хрупкому
разрушению. Для уменьшения концен-
трации напряжений в фасонках устраи-
вают выкружки для плавного перехода
к стержням.
При пролётах больше 40 м возника-
ет необходимость тщательно реализо-
вать расчетную схему опирания ферм,
так как температурные деформации и
Рис. Х.1. Особенности компонов-
ки покрытий и конструирования
тяжелых ферм:
а — нормальная схема компоновки; б —
усложненная схема; в, г — компоновка
покрытия из объемных блоков; д — сег-
ментная ферма; е — параболическая
ферма; ж— сечения стержней тяжелых
ферм; з — пример двухстенчатого узла;
1 — плоская главная ферма; 2 — вспо-
могательная ферма; 3 — прогоны; 4 —
горизонтальные связи; 5 — объемный
блок; 6 — подстропильная балка
прогибы ферм под нагрузкой вызыва-
ют значительные смещения и повороты
на опорах (рис. Х.2, а). Если конст-
рукция опорных частей не обеспечи-
вает беспрепятственного поворота или
горизонтального перемещения, то пред-
посылка о безраспорной работе ба-
лочных систем нарушается (рис. Х.2,
б). В результате в элементах здания
и самой фермы возникают дополни-
тельные усилия. В качестве шарнир-
но-неподвижных опор при пролетах до
40 м применяются тангенциальные
плиты (рис. Х.2, в), а при больших
пролетах — балансирные опоры (рис.
Х.2, г). Подвижная опора выполня-
106
Рис. Х.2. Опорные части ферм:
а — изменение пролета при изменении температуры и
прогибах от нагрузок; б — нарушение расчетной схе-
мы при недостаточной подвижности опоры; в — танген-
циальная опора; г — балансирная опора: д — катковая
опора
ется на катках (рис. Х.2, 5). Более
подробно конструкции опорных частей
описаны в гл. XV.
Расчет усилий в стержнях тяжелых
ферм выполняется так же, как и для
легких ферм. Более заметно^ влияет
на распределение усилий жесткость
узлов, так как в тяжелых фермах от-
ношение высоты сечения стержней к
их длине достаточно большое (см.
§ VI.5).
Плоскостные балочные системы наи-
более металлоемки из всех видов боль-
шепролетных конструкций (расход
стали достигает 200 кг/м2) и, как от-
мечалось выше, имеют большую высо-
ту. Для сокращения затрат стали и
уменьшения строительной высоты при-
меняется предварительное напряжение,
а также включение ограждающих кон-
струкций (кровельного настила, под-
весного потолка) в совместную работу
с поясами ферм. Сокращение затрат
стали достигается также при приме-
нении трехгранных или спаренных в
пространственные блоки плоских ферм
за счет уменьшения количества связей
по покрытию.
Ниже приводятся примеры некото-
рых конструктивных решений балоч-
ных покрытий.
На рис. Х.З показана ферма покры-
тия Дворца спорта в Киеве пролетом
66 м. Ферма имеет параболическое
очертание со вспарушенным нижним
поясом, к которому крепится подвес-
ной потолок. Сечения поясов двухстен-
чатые, составленные из листов, уси-
ленных уголками. Элементы решетки
приняты из парных уголков и швелле-
ров.
При перекрытии здания искусствен-
ного катка в Харькове (рис. Х.4) при-
менены двояковыпуклые фермы про-
летом 50 м с параболическим очерта-
нием поясов. Фермы запроектированы
с шагом 6 м под легкую кровлю, по-
этому сечения поясов и решетки вы-
полнены из парных уголков.
Предварительно напряженные фер-
мы пролетом 84 м с ромбической ре-
шеткой применены для покрытия ан-
гара в Алма-Ате (рис. Х.5). Предва-
рительное напряжение осуществлено
высокопрочной затяжкой, расположен-
ной внутри нижнего пояса, и обеспе-
чило сокращение расхода стали на
15 %.
107
Рис. Х.4. Ферма покрытия катка в Харькове
К числу перспективных конструкций,
отличающихся высокой эффективнос-
тью при пролетах до 100 м, относится
блочно-балочная система (ЦНИИ-
Проектстальконструкция). Она состо-
ит из парных плоских ферм, которые
объединены в блоки связями и пред-
варительно напряженными стальными
обшивками толщиной 1,5—2 мм, при-
варенными к верхнему и нижнему
поясам. Верхняя обшивка за счет
предварительного растяжений включа-
ется в работу на сжатие от эксплуа-
тационных нагрузок. На рис. Х.6 по-
казана схема покрытия универсально-
го спортивного комплекса ЦСКА в
Москве. Строительная высота блочно-
балочной конструкции вписывается в
габарит для перевозки.
Рис. Х.5. Предварительно напряженная ферма
покрытия ангара в Алма-Ате
Рис. Х.6. Блочно-балочная конструкция:
а — блок полной длины; б — блок-панель; 1 — предва-
рительно напряженная стальная обшивка; 2 — нижняя
стальная обшивка без предварительного напряжения
Х.4. АРОЧНЫЕ ПОКРЫТИЯ
Арочные конструкции наиболее эф-
фективны в зданиях с пролетами 60—
70 м, функциональный объем которых
вписывается в криволинейное очерта-
ние. К таким зданиям относятся двор-
цы спорта, рынки, выставочные па-
вильоны.
Арки хорошо работают при отсутст*
вии сосредоточенных сил и при не-
больших временных нагрузках. По за-
тратам металла арки экономичнее
108
Рис. Х.7. Конструктивные схемы арок:
а — трехшарнирная арка; б — двухшарнирная арка:
« — бесшарнирная арка; г — типы поперечных сечений
балочных конструкций, однако они яв-
ляются распорными системами, т. е.
передают на опоры при вертикальных
нагрузках не только вертикальные, но
и горизонтальные реакции. Особенно
значительным оказывается распор в
пологих арках. Распор может воспри-
ниматься мощными фундаментами или
затяжками, соединяющими опоры арки
между собой. В последнем случае си-
стема становится внешне безраспор-
ной, и горизонтальные силы на фун-
даменты или здание не передаются.
По статической схеме арки делятся
на трехшарнирные (рис. Х.7, а), двух-
шарнирные (рис. Х.7, б) и бесшарнир-
ные (рис. Х.7, в). Трехшарнирные ар-
ки, будучи статически определимыми,
нечувствительны к осадкам опор и
температурным деформациям, однако
по затратам материала наименее вы-
годны. Они обычно используются при
строительстве на слабых основаниях.
Наиболее часто применяются в покры-
тиях двухшарнирные арки, особенно с
затяжками. В бесшарнирных арках
„ опоры жестко заделываются в фунда-
менты. По затратам металла они наи-
более экономичны, однако из-за боль-
ших опорных моментов их применение
рационально при строительстве на
скальных основаниях.
Конструктивные решения арок от-
личаются большим разнообразием.
Очертание поясов трехшарнирных арок
чаще принимается серповидным в со-
ответствии с характером распределе-
ния изгибающих моментов (рис. Х.7, а).
Двухшарнирные арки выполняются с
постоянной высотой сечения (рис.
Х.7, б), а бесшарнирные утолщаются
к опорам (рис. Х.7, в). Сечения арок
могут быть сплошными в виде свар-
ных или прокатных широкополочных
двутавров. Высота сечения сплошных
арок составляет 1/50—1/80 пролета.
Сквозные арки выполняются из угол-
ков, швеллеров, труб и могут быть
плоскими, а при больших пролетах
пространственными трехгранными
(рис. Х'.7, г). Высота сечения сквозных
арок составляет 1/30—1/40 пролета.
Ответственными узлами арок явля-
ются опорные и ключевые шарниры.
В качестве опорных наиболее простые
по конструкции плиточные шарниры
(рис. Х.8, а), которые применяются в
легких арках при вертикальном при-
мыкании надопорной части. В тяже-
лых арках больших пролетов исполь-
зуются балансирные шарниры (рис.
Х.8, б), аналогичные опорным устрой-
ствам балочных конструкций.
Рис. Х.8. Шарнир-
ные узлы арок:
а — плиточный шар-
нир; б — балансирный
шарнир; в — пятнико-
вый шарнир; г — лис-
товой шарнир
109
Рис. Х.9. К расчету усилий в двухшарнирных
арках:
в —расчетная схема арки; б —усилия, действующие в
сечении арки
Пятниковый шарнир представляет
собой опорное гнездо-пятник, в кото-
рое вставляется опорная часть арки
(рис. Х.8, в). Ключевые шарниры
трехшарнирных арок могут иметь пли-
точную или балансирную конструкцию.
В легких арках в ключе устраиваются
листовые шарниры, в которых свобод-
ный поворот обеспечивается изгибом
горизонтального листа (рис. Х.8, г).
Усилия в арках определяют по из-
вестным методам строительной меха-
ники. Наиболее употребительные двух-
шарнирные арки являются системами
один раз статически неопределимыми.
В качестве лишних неизвестных мето-
да сил принимают распор Н. Для пред-
варительных расчетов непологих арок
при равномерно распределенной на-
грузке распор можно определять по
формуле
H = (Х.1)
где f—стрела подъема арки (рис. Х.9, а).
Изгибающий момент, продольная и по-
1
перечная силы в сечении арки, распо-
ложенном на расстоянии х от опоры,
определяются по формулам
Мх = Мб-Ну-, (Х.2)
Nx = Об sin а + //cos а; (Х.З)
Qx = Об COS а — //sin а. (X 4)
В приведенных формулах: Л4б и Qe —
изгибающий момент и поперечная си-
ла, вычисленные так же, как для бал-
ки пролетом Z, равным пролету арки;
у — ордината оси арки на расстоянии
х от опоры; а — угол между горизон-
талью и касательной к оси арки в рас-
сматриваемом сечении (рис. Х.9, а).
В сквозных арках (рис. Х.9, б) уси-
лия в поясах и решетке могут быть
получены с использованием формул
(Х.2) ... (Х4) следующим образом:
Nb = —Nx/2±Mx/h-
Nd = — Qxsinp, (Х.5)
где Nb — усилия в верхнем и нижнем
поясах, вычисляемые с учетом знака
изгибающего момента в сечении; Na —
усилие в раскосе; h — высота сечения
арки; р — угол между раскосом и по-
ясом.
Пример применения большепролет-
ных арочных конструкций показан на
рис. Х.10.
Х.5. РАМНЫЕ КОНСТРУКЦИИ
Рамные конструкции отличаются
большой жесткостью и чаще применя-
ются в зданиях промышленного и спе-
циального назначения — цехах завод-
ских производств, эллингах, ангарах,
оборудованных подвесными кранами.
110
Рис. Х.11. Работа ригелей равных конструк-
ций при жестком сопряжении с колоннами
В ригелях рам при жестком сопря-
жении с колоннами уменьшаются за-
траты металла по сравнению с балоч-
ными конструкциями за счет разгрузки
ригеля узловыми моментами М оп (рис.
Х.11). При этом в стойках рам кроме
нормальных усилий возникают значи-
тельные изгибающие моменты. Поэто-
му рамные покрытия оказываются вы-
годными при относительно небольших
высотах зданий (8...12 м).
Большепролетные рамы могут вы-
полняться бесшарнирными со стойка-
ми, заделанными в фундаменты (рис.
Х.12, а), двухшарнирными с шарнира-
ми в уровне фундаментов (рис. Х.12, б)
или в узлах сопряжения ригеля и сто-
ек (рис. Х.12, в) —так называемые
гибкие рамы. К разновидностям схем
Рис. Х.12. Конструктивные схемы рам:
в—жесткая рама; б —с шарнирами в уровне фунда-
ментов; в —с шарнирами в уровне ригеля; г —с жест-
кой и гибкой стойками; д — рамно-консольная; е^-со
ненарушенным ригелем
однопролетных рам относятся схема с
жесткой и гибкой стойками (рис.
Х.12, г), однопролетная рама с кон-
солью (рис. Х.12, б), вспарушенная
рама с криволинейным ригелем
(рис. Х.12, е).
Бесшарнирная схема применяется
при пролетах 120—150 м. Такие рамы,
как правило, имеют небольшую высо-
ту и мощные ригели. Наиболее распро-
странены двухшарнирные рамы про-
летом до 120 м с шарнирами в уровне
фундаментов. Преимуществом рам с
шарнирным сопряжением ригеля со
стойками является упрощение монта-
жа, однако из-за отсутствия разгру-
жающих узловых моментов ригель по-
лучается более тяжелым. Рамы с жест-
кой и гибкой стойками и однопролет-
ные рамы с консолью применяются в
ангаростроении. Наличие консольного
вылета длиной 40—60 м позволяет
устраивать ворота шириной на весь
фасад здания. Схема со ненарушен-
ным ригелем целесообразна для при-
менения в конструкциях рынков и вок-
залов.
Как указывалось в гл. IX, в рам-
ных системах может быть достаточно
просто достигнут эффект сокращения
материалоемкости искусственным регу-
лированием усилий с помощью затя-
жек и смещением опорных частей.
В последнее время у нас в стране
в ряде спортивных сооружений были
применены двухконсольные рамы, в
которых предварительное напряжение
создавалось путем загрузки консолей
временной нагрузкой и закрепления их
в таком положении подкосами. Умень-
шение усилий в ригеле позволяет зна-
чительно уменьшить его высоту и вы-
полнить сплошным. Такой прием при-
менен при строительстве крытой спор-
тивной арены в Киеве с размерами в
плане 92X126 м и высотой помещения
около 25 м (рис. Х.13). Высота сече-
ния ригеля в середине пролета соста-
вила всего 1450 мм (около 1/60 про-
лета), а на опорах — 2650 мм.
111
Рис. Х.13. Рамно-подкоСный поперечник спор-
тивной арены в Киеве
При пролетах рам 100—150 м риге-
ли обычно выполняются сквозными и
конструируются по типу тяжелых ферм
(см. § Х.З). Высота ригелей принима-
ется равной 1/12— 1/20 пролета.
Компоновка рамных покрытий так
же, как и балочных, может выполнять-
ся по нормальной или усложненной
схеме (см. рис. Х.1, а, б).
Пример рамного поперечника произ-
водственного здания пролетом 96 м
приведен на рис. Х.14. К мощному ри-
гелю подвешены два крана грузоподъ-
емностью 50 т. Стержни ригеля имеют
Н-образное сечение и выполнены из
высокопрочной стали.
Х.6. КУПОЛА
Купола относятся к пространствен-
ному типу конструкций. Это распор-
ные системы, что должно учитываться
при проектировании опорных конст-
рукций. Различают три типа конст-
руктивных схем куполов: ребристые,
ребристо-кольцевые и сетчатые.
Рис. Х.14. Поперечник производственного
здания
Рис. Х.15. Конструк-
тивные и расчетные
схемы куполов:
а — ребристый купол; б—
ребристо-кольцевой ку-
пол; в — сетчатый купол;
1 — ребра; 2 — связи; 3—
прогоны; 4 — с раскосной
решеткой; 5—с крестовой
решеткой
Ребристые купола образуются из ра-
диально расположенных ребер-полу-
арок (рис. Х.15, а). В основании ку-
пола ребра опираются на стены зда-
ния либо на криволинейный или мно-
гоугольный в плане кольцевой эле-
мент, воспринимающий распор X.
В вершине купола ребра опираются
на центральное кольцо.
При расчете на осесимметричные
нагрузки купол можно расчленять на
плоские арки. При шарнирном сопря-
жении ребер с верхним кольцом полу-
чаются трехшарнирные арки. При же-
сткой заделке ребер в верхнем опор-
ном кольце рассчитываются двухшар-
нирные арки с условной затяжкой,
роль которой выполняет нижнее опор-
ное кольцо.
Ребра выполняются сплошными или
решетчатыми и соединяются между
собой прогонами. Для обеспечения
устойчивости ребер из плоскости меж-
ду прогонами устраиваются связи.
Ребристо-кольцевые купола (рис.
Х.15, б) отличаются от ребристых тем,
что прогоны включаются совместно с
112
.ребрами на восприятие распора. Про-
гоны в этом\случае представляют
собой ряд горизонтальных колец, рас-
положенных в равных уровнях и ис-
пытывающих растягивающие усилия.
В ребристо-кольцевых куполах замет-
нее, чем в ребристых/^роявляется эф-
фект пространственности. Усилия в
ребрах уменьшаются, и их можно изго-
тавливать из прокатный профилей.
При осесимметричной нагрузке ребри-
сто-кольцевые купола можно рассчи-
тывать, расчленяя их на плоские арки
с условными затяжками в уровнях
кольцевых прогонов.
Сетчатые купола образуются из реб-
ристо-кольцевых включением на вос-
приятие распора диагональных связей
между ребрами и прогонами (рис.
Х.15, в). Сетчатые купола опираются
в отдельных точках или связываются
упруго с опорным кольцом.
При мелком членении сетки (боль-
шом пролете и большом числе элемен-
тов) возможен приближенный расчет
сетчатых куполов как безмоментных
оболочек. Найденные в оболочке ме-
ридиональные и кольцевые усилия
JVi и Л^2 раскладывают на направления
стержней, сходящихся в узле. В сет-
чатых куполах в работу на восприя-
тие любой из действующих нагрузок
включаются все стержни, что приводит
к существенному облегчению конст-
рукций. Поэтому сетчатые купола
могут перекрывать пролеты до 400 м.
По конструкции стержневого набора
сетчатые купола могут быть односетча-
тыми и двухсетчатыми.
Для того чтобы элементы сетчатых
куполов были однотипными, при по-
строении их геометрии используются
правильные и полуправильные много-
гранники, вписанные в сферу, напри-
мер икосаэдр, имеющий 20 одинаковых
граней, 80-гранник, дающий два типа
граней, или 320-гранник с пятью типа-
ми граней.
Х.7. СТРУКТУРНЫЕ >
И ПЕРЕКРЕСТНО-БАЛОЧНЫЕ
СИСТЕМЫ ПОКРЫТИИ
В последнее время большое распро-
странение получили пространственные
решетчатые покрытия регулярной
структуры, образующиеся на основе
многократно повторяющихся элемен-
тов. Предпосылками применения та-
ких систем для массового строитель-
ства являются возможность их поточ-
ного изготовления на автоматизиро-
ванных линиях специализированных
заводов и применение индустриальных
методов монтажа укрупненными бло-
ками. Структурные конструкции ис-
пользуются не только в покрытиях
зданий, но и в междуэтажных пере-
крытиях, стенах (см. § XI 1.6) и фун-
даментах.
По принципу образования простран-
ственные решетчатые покрытия можно
разделить на: 1) перекрестно-балочные
системы, образуемые пересечением
ферм двух или трех направлений
(рис. Х.16, а); 2) структурные конст-
рукции, которые набираются из эле-
ментарных «кристаллов»-тетраэдров
(рис. Х.16, в), пентаэдров (рис. 16, б, г)>
гептаэдров (рис. Х.16, д) и т. д.
Во всех случаях стержневой набор
образует верхнюю и нижнюю поясные
сетки, соединенные между собой ре-
шеткой. Поэтому такие системы яв-
ляются двухсетчатыми.
Из-за небольших размеров ячеек
верхней поясной сетки в структурных
системах применяются легкие кровель-
ные настилы без прогонов.
Пространственные решетчатые систе-
мы отличаются архитектурной выра-
зительностью. В зависимости от формы
поверхности перекрестные и структур-
ные конструкции образуют плиты и
диски, своды и купола, складчатые
системы (набор плоскостей). Некото-
рые из этих типов показаны на
рис. Х.17.
Структурные конструкции обладают
повышенной жесткостью по сравнению
из
f
Рис. X.16. Образование двухсетчатых
пространственных решетчатых покры-
тий:
а — перекрестные фермы; б — структура из
пентаэдров; в — структура из тетраэдров;
г — структура из пентаэдров с дополнитель-
ными диагоналями; д — структура из гепта-
эдров; 1 —верхняя поясная сетка; 2 — ниж-
няя поясная сетка; 3 — решетка
с плоскостными системами. Поэтому
они имеют меньшую строительную вы-
Рис. Х.17. Типы поверхностей, образуемых
пространственными решетчатыми конструкция-
ми:
а — диск; б -»• свод; в — купол» г — сададка
соту, что влечет за собой уменьшение
высоты здания и снижение затрат на
стеновое ограждение и отопление.
Структурные конструкции хорошо
работают на сосредоточенные нагрузки.
Влияние нагрузки на напряженное.
состояние структуры быстро затухает
с удалением от места ее приложения.
Это создает предпосылки для их при-
менения в покрытиях и перекрытиях
производственных зданий, оборудован-
ных подвесными кранами.
Существенное преимущество струк-
турных конструкций — возможность
произвольного расположения опор в
узлах нижней или верхней поясных
сеток. Опоры могут равномерно или
неравномерно располагаться по коц->
туру или внутри контура структурных
114
строительную площадю
тов отдельных стержне]
ций и пространственн:
№лит по укрупненной сетке, что откры-
вает широкие возможности для выбора
архитектурно-планировочных решений.
В зависимости от степени заводской
готовности пространственные стерж-
невые системы могуХ доставляться на
в виде паке-
плоских сек-
t модулей —
пирамид, вложенных при\ транспорти-
ровании одна в другую в\виде плот-
ного штабеля.
Важным преимуществом покрытий
пространственной системы является
возможность монтажа индустриальны-
ми методами. Укрупнительная сборка
всего покрытия выполняется с установ-
кой ограждающих конструкций и тех-
нологических коммуникаций внизу. За-
тем готовый блок поднимается на
проектную отметку кранами или с
помощью домкратов.
Конструктивные формы структурных
плит отличаются большим разнообра-
зием из-за применения различных
типов стержневой решетки, профилей
стержней и типов узловых соединений.
Наиболее распространен самый про-
стой геометрический тип структур с
поясными сетками из квадратных
ячеек (рис. Х.16, б). Схема с орто-
гональной поясной сеткой применяет-
ся преимущественно в покрытиях про-
мышленных и общественных зданий
прямоугольной в плане формы. Для
увеличения жесткости ортогональных
структур на кручение поясные сетки
устраиваются с дополнительными диа-
гоналями (рис. Х.16, г).
Более сложными являются струк-
туры с поясными сетками из стержней
трех направлений, образуемые из
тетраэдров (рис. Х.16, в) или гептаэд-
ров (рис. Х.16, д). Такие системы
предназначены в основном для покры-
тий общественных зданий сложной
конфигурации в плане.
Стержни структурных конструкций
изготавливаются из круглых труб или
из прокатных профилей (уголков,
швеллеров, двутавров). Традиционны
для стержневых плит трубчатые про-
фили, отвечающие условиям равно-
устойчивости стержней при сжатии,
минимальной металлоемкости, а также
эстетическим требованиям. Однако
трубы более дефицитны, чем прокат-
ные профили, и отличаются высо-
кой стоимостью. Поэтому для рядовых
производственных зданий выгоднее
применять структуры из прокатных про-
филей несмотря на то, что они на 15—
25 % тяжелее структур из труб.
На массу и стоимость структурных
конструкций существенно влияют узло-
вые соединения. В большинстве слу-
чаев на узлы расходуется 15—20 %
металла.
Различают два вида узловых сопря-
жений в структурах: сварные и бол-
товые.
Примером сварных узлов является
соединение на ванной сварке, разрабо-
танное ЦНИИСК им. В. А. Кучерен-
ко для трубчатых структур (рис. X. 18,
а). На такие узлы расходуется всего
1,5—2 % металла от общей массы
структуры. Соединение типа «Октап-
латтен», разработанное фирмой «Ман-
несман» (ФРГ), компонуется на шаре,
свариваемом из двух штампованных
полушарий на дисковой прокладке
(рис. Х.18, б). На рис. Х.18, в показано
соединение на листовых косынках, раз-
работанное Казанским инженерно-
строительным институтом.
Болтовые соединения по характеру
работы болтов можно разделить на
три типа: с несущими высокопрочными
болтами, работающими на растяжение;
со стяжными болтами, фиксирующими
положение деталей узла; с несущими
болтами, работающими на сдвиг.
Наиболее распространены соедине-
ния первого типа — системы «Мэ-
ро» (ФРГ), «Веймар» (ГДР) и
«МАрхИ», предложенные Московским
архитектурным институтом (рис. Х.18,
г). Основным элементом этих узлов
115
Рис. Х.18. Типы узлов структур:
а — «ЦНИИСК»; б — «Октапл аттен»; в *= «КИСИ»: г •— «Мэро»; д — «Триодетик»: е — «ИФИ»; ж •= «Юнистрат»;
з — из профильного проката; 1 — ванная сварка; 2 — опорный столик для кровельного настила; 3 —болт; 4 —>
гайка; 5 — штифт; 6 — наконечник; 7 — цилиндр с пазами; 8 — шайба; 9 — стяжной болт; 10 — холостой клин:
11 — чашка; 12 штампованный узловой элемент; 13 — стержень; 14 — верхний пояс; 15 — нижний пояс; 16 <—
раскос
является сфера либо полусфера с резь-
бовыми отверстиями (коннектор), в
которые ввинчиваются высокопрочные
болты, прикрепленные к торцам стерж-
ней через приваренные конические на-
конечники или плоские шайбы. К соеди-
нениям с несущими болтами, работаю-
щими на растяжение, можно отнести
116
Рис. Х.19. Использование плитной аналогии для расчета структур:
а —расчетная схема плиты; б — разложение усилий по направлениям стержней в кристалле; / —верхний
пояс; 2 — нижний пояс; 3 — раскосы
также фланцевые соединения, которые
обычно применяются в структурных
системах, собираемых на монтаже из
пирамид.
Соединения второго типа пред-
ставлены на рис. Х.18, д системой
«Триодетик» (Канада) с узловым
элементом в виде цилиндрического
тела с рифлеными пазами, в которые
заходят сплющенные концы трубчатых
стержней, опрессованные по профилю
паза. К этому же типу относится
система «ИФИ» (ГДР) (рис. Х.18, е),
состоящая из приваренных к концам
сплющенных труб калиброванных
клиньев, которые соединяются в узле
с помощью фигурных шайб-чашек,
стянутых болтом.
Третий тип болтовых соединений
применяется, как правило, в структу-
рах со стержнями из профильного про-
ката. На рис. Х.18, з показаны узлы
структур типа «ЦНИИСК» из одиноч-
ных уголков. Соединение типа «Юни-
страт», применяющееся в США для
штампованных стержней, показано на
рис. Х.18, ж. Недостатком узлов на
болтах, работающих на сдвиг, являет-
ся большая деформативность, которая
приводит к значительному искажению
характера распределения усилий в
структурах по сравнению с расчетной
схемой.
Расчет структурных конструкций,
являющихся многократно статиче-
ски неопределимыми системами, отли-
чается большой трудоемкостью. Суще-
ствуют точные и приближенные методы
расчета стержневых плит.
При точном расчете стержневая
плита рассматривается как простран-
ственная шарнирно-стержневая систе-
ма и рассчитывается на ЭВМ.
При расчете приближенным спосо-
бом стержневую систему заменяют
сплошной плитой эквивалентной жест-
кости. По справочным таблицам опре-
деляют распределенные усилия в
сплошной плите — изгибающие момен-
ты и поперечные силы. Затем перехо-
дят от сплошной плиты к стержневой
системе. Для этого распределенные
изгибающий момент Mpi и поперечную
силу Qpi собирают с полосы плиты ши-
риной, равной размеру ячейки поясной
сетки s (рис. Х.19, а), и прикладывают
в виде сосредоточенных усилий Mprs и
QPi-s в узлы кристалла (рис. Х.19, б).
Усилия в поясах получают заменой
момента Mpi-s парой сил с плечом,
117
равным высоте структуры л, а усилия
в раскосах — из условия равновесия
сил, приложенных к вырезанному узлу,
на вертикальную ось.
Ниже приводятся формулы для
определения усилий в поясах Nb и
раскосах Nd для структур различных
типов. Для структуры из пентаэдров
без дополнительных диагоналей в верх-
ней поясной сетке (см. рис. Х.16, б)
Nb = i-Mp/ • s/h*t
Nd = —0,5Qpz • s/sin a, (X .6)
где h—высота структуры; a — угол на-
клона раскосов к горизонтальной плос-
кости. Для структуры из пентаэдров
с дополнительными диагоналями в верх-
ней поясной сетке (см. рис. Х.16, г)
N ь — +1,1М Р1 • s/h\
Nd = —0,55Qpz • s/sin a. (X.7)
Для структуры с треугольными ячей-
ками верхней и нижней поясных сеток
(см. рис. Х.16, е)
Nb = ±0,578Л1р/ • s/h-
Nd = —0,5Qn/ • s/sin a. (X.8)
Приближенный расчет усилий в
структурах обеспечивает точность до
15 % и обычно применяется при ва-
риантном проектировании.
Выбор конструктивных схем стерж-
невых плит. Основными параметрами,
которые приходится назначать при
разработке проекта, являются: типы
ячеек поясных сеток и положение верх-
ней поясной сетки по отношению к
нижней; схема расположения опор
и очертание плиты на участке между
опорами; конструктивная высота пли-
ты и размеры поясных ячеек. При на-
значении этих параметров исходят из
условий, перечисленных в § Х.1.
На выбор конструктивной схемы
существенно влияют особенности ста-
тической работы стержневых плит.
Перекрестные фермы двух направле-
ний и структурные плиты с квадратной
ячейкой рациональны для применения
на прямоугольных планах, близких
к квадратным, поскольку при этом
обеспечивается наиболее равномерная
работа стержней всех направлений.
По мере увеличения соотношения сто-
рон прямоугольной плиты возрастает
разница в изгибающих моментах в
коротком и длинном направлениях,
и участие стержней одного из направ-
лений в восприятии нагрузки умень-
шается. При опирании плиты по кон-
туру усилия падают в стержнях, на-
правленных вдоль длинной стороны, а
при опирании по четырем углам — в
стержнях, направленных вдоль корот-
кой стороны. При соотношении сторон
прямоугольника большем чем 1:1,3 на-
грузку практически воспринимают
только стержни одного направления, и
применение плит с ортогональной по-
ясной сеткой становится нерациональ-
ным.
Если в поясах структур с квадрат-
ной ячейкой отсутствуют дополнитель-
ные диагональные элементы (см. рис.
Х.16, б), то поясные сетки геометри-
чески изменяемы при действии сдвига
в их плоскости, и следовательно, плита
не воспринимает кручения. Поэтому
в таких покрытиях и перекрытиях не
рекомендуется устраивать консоли с
вылетами, превышающими 4—5 высот
плиты. Сказанное относится и к пли-
там с шестиугольными ячейками по-
ясных сеток (см. рис. Х.16, 5). Для
увеличения жесткости ортогональных
систем в поясных сетках устанавли-
ваются дополнительные диагонали (см.
рис. Х.16, г).
Перекрестные фермы трех направле-
ний и структуры с треугольными ячей-
ками поясных сеток (см. рис. ,Х.16, в),
образующиеся из кинематически неиз-
меняемых кристаллов, являются наи-
более жёсткими системами. Такие по-
крытия и перекрытия могут хорошо
работать на треугольных и других
сложных планах и допускают устрой-
ство больших консольных вылетов.
Однако их недостатком является по-
вышенная сложностьизготовления.
118
Конструктивная высота структурной
плиты устанавливается исходя из тре-
бований жесткости покрытия и ограни-
чения размеров ячеек поясных сеток.
С увеличением расстояния между по-
ясами деформативность плиты сни-
жается, а размеры ячеек поясных
сеток увеличиваются. Рекомендуется
принимать высоту структурных плит
1/15—1/20 пролета при использовании
стержней из труб и 1/20—1/25 пролета
при применении профильного проката.
Размеры ячеек поясных сеток зави-
Глава XI. ВИСЯЧИЕ ПОКРЫТИЯ
XI.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА 3^
ВИСЯЧИХ ПОКРЫТИЙ
Висячими называют покрытия, в ко-
торых основные несущие конструкции,
перекрывающие пролет, работают на
растяжение. Так как при растяжении
полностью используются прочностные
свойства сталей, то такие системы
позволяют рационально применять
высокопрочные материалы.
Основным несущим элементом ви-
сячих конструкций, воспринимающим
нагрузки в пролете, может быть нить,
которая сопротивляется только растя-
жению (гибкая нить) или растяжению
и изгибу (жесткая нить). Гибкие нити,
называемые вантами, выполняются из
стальных спиральных канатов — тро-
сов, пучков и прядей высокопрочной
.проволоки, арматурных стержней.
В качестве жестких нитей обычно при-
меняются прокатные профили и состав-
ные сечения (сквозные и сплошно-
стенчатые). Висячие покрытия; обра-
зованные из тонких металлических
листов, называются мембранными.
Если в покрытие включаются одновре-
менно гибкие нити и жесткие элементы,
способные воспринимать усилия сжа-
тия или изгиба, то такие покрытия
называются комбинированными.
В состав висячих покрытий входят
также опорные конструкции, которые
сят также от вида кровельного насти-
ла и типа узловых сопряжений. Реко-
мендуется назначать величину ячейки
такой, чтобы исключить устройство
прогонов. Обычно размер ячейки при-
нимается в пределах 1/7—1/15 про-
лета плиты. С учетом этих условий
применение стержневых плит ограни-
чивается пролетами до 60—80 м.
Более подробно с конструкцией и
расчетом пространственных решетча-
тых покрытий можно ознакомиться в
книгах [14, 21].
кроме вертикальных нагрузок, должны
воспринимать горизонтальные силы на-
тяжения висячих пролетных конструк-
ций — распор. Эта особенность значи-
тельно усложняет и делает более тяже-
лой конструкцию опорной части. Опор-
ные конструкции висячих покрытий
выполняют стальными или железо-
бетонными.
Положительными качествами вися-
чих покрытий являются: небольшой
вес пролетной части (расход стали
составляет 5—60 кг/м2); архитектур-
ная выразительность; удобство транс-
портирования и монтажа. Гибкие тросы
можно транспортировать намотанными
на барабаны. Монтаж ведется крана-
ми небольшой грузоподъемности.
К недостаткам висячих покрытий
относятся: большая деформативность
пролетного строения и чувствитель-
ность к сосредоточенным нагрузкам;
большая стоимость опорных конструк-
ций; трудности отвода воды с покры-
тия, вызванные конфигурацией по-
крытия.
Эти качества определяют применение
висячих покрытий в основном в зда-
ниях общественного назначения (рын-
ки, спортивные сооружения, концерт-
ные залы) и бескрановых производ-
ственных зданиях (гаражи, склады).
В производственных зданиях, оборудо-
119
Рис. XI.1. Системы висячих покрытий:
а — в — однопоясные; г, д — вантовые сети; е — канатно-балочные; ж — м — двухпоясные; к — комбинированные!
о — мембранные; п — висячие железобетонные оболочки
ванных подвесными кранами, могут
применяться более жесткие покрытия
комбинированной системы.
В зависимости от конструкции про-
летной части различают следующие
виды висячих покрытий:
однопоясные системы, образованные
из параллельно (рис. XI.1, а) или
радиально расположенных (рис. XI.1,
б) нитей. При устройстве дополнитель-
ной центральной опоры образуются
покрытия шатровой системы (рис.
XI.1, в);
Гвантовые сети, образованные пересе-
чением двух семейств нитей и имею-
щие двояковогнутую поверхность по-
ложительной гауссовой кривизны *
* Гауссова, или полная, кривизна харак-
теризует геометрию поверхности в любой точ-
ке. Гауссова кривизна положительна, если
центры главных кривизн поверхности в точке
120
(рис. XI.1, г) или выпукло-вогнутую
поверхность отрицательной гауссовой
кривизны (рис. XI.1, д). Разновидно-
стью сетей являются канатно-балоч-
ные системы (рис. XI.1, е), в которых
нити одного направления обладают
изгибной жесткостью;
двухпоясные системы, основными
конструктивными элементами которых
являются плоские тросовые фермы с
поясами, соединенными раскосами
(рис. XI. 1, ж, з), жесткими стойками
(рис. XI.1, и) или тросовыми растяж-
ками (рис. XI.1, м). При разном взаим-
ном расположении ферм образуются
плоскостные (рис. XI.1, ж — и, м) либо
пространственные (рис. XI.1, к, л) по-
крытия. Если один из поясов ферм вы-
полнен жестким, то получаются комби-
нированные системы (рис. XI.1, н);
висячие оболочки, которые можно
разделить на металлические тонколи-
стовые оболочки-мембраны (рис. XI.1,
о) и предварительно напряженные
монолитные железобетонные оболочки,
образованные замоноличиванием сбор-
ных железобетонных плит покрытия
на предварительно растянутых одно-
поясных системах или на вантовой
сети неотрицательной гауссовой кри-
визны (рис. XI.1, и).
XI.2. КОНСТРУКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
ПРОЛЕТНОЙ ЧАСТИ
Характер работы гибкой нити
под нагрузкой отражает особенности
расчета висячих систем и специфику
образования их конструктивных схем.
Рассмотрим работу под нагрузкой
гибкой нити, закрепленной на опорах
и загруженной произвольной верти-
кальной нагрузкой q (рис. XI.2, а).
лежат с одной стороны поверхности, и отри-
цательна, если центры главных кривизн лежат
с разных сторон поверхности. Линии главных
кривизн получаются пересечением поверхности
двумя взаимно перпендикулярными плоскостя-
ми, проходящими через нормаль к поверхности
в рассматриваемой точке.
Усилие натяжения в любой точке
нити Т можно разложить на верти-
кальную и горизонтальную состав-
ляющие Q и Н. Величина Q опреде-
ляется как поперечная сила в шарнир-
но опертой балке пролетом I, загру-
женной нагрузкой q. Распор Н можно
найти из условия равновесия сил отно-
сительно любой точки нити, являю-
щейся шарнирной цепью. Для сечения
х можно записать
Мх = Ну и Н = Мх!у, (XI.1)
где Мх — изгибающий момент в сечении
%, найденный, как в балке пролетом /,
загруженной нагрузкой q\ у — ордината
сечения нити.
Значение распора удобно находить
из выражения
H = Mu2lf, (XI 2)
где Milz— балочный момент в середи-
не пролета; f—стрела провеса нити.
Если к нити приложена только вер-
тикальная нагрузка, то, как видно из
условия разновесия сил на горизон-
тальную ось, распор Н остается по-
стоянным по длине нити. Из этого
следует, что расчетное усилие в нити
T = ]/7/2 + Q2 (XI.3)
изменяется вдоль нити и достигает
наибольшего значения на опорах, где
составляющая Q наибольшая.
Из зависимостей (XI. 1) следует вы-
вод, что форма равновесия нити под на-
грузкой повторяет очертания эпюры
балочных изгибающих моментов Мх:
у = Мх/Н, (XI.4)
где И — величина постоянная.
Таким образом, форма равновесия
гибкой нити не может быть произволь-
ной, как для любых других жестких (
систем, и зависит от характера на-
грузки. Соответствующие друг другу
геометрию нити и нагрузку называют
равновесными (рис. XI.2, б),
121
Тесная связь геометрии и статики
составляет принципиальное отличие
висячих систем от любых других и
играет главную роль в теории образо-
вания таких систем.
При переходе нити от одной формы
равновесия к другой при действии
временных нагрузок возникают значи-
тельные кинематические перемещения,
которые являются одной из главных
причин повышенной деформативности
висячих систем. Из выражения (XI.4)
видно, что кинематические перемеще-
ния не зависят от упругих свойств
нити.
Другой причиной высокой деформа-
тивности висячих систем являются
упругие удлинения нитей (рис. XI.2, в),
которые определяются в соответствии
с законом Гука. Для нити длиной L,
растянутой изменяющейся вдоль нити
силой Г, упругое удлинение в первом
приближении
Д£^Я£/(£Ля), (XI.5)
считая усилие растяжения постоянным
по длине нити и равным Я. Здесь Е —
модуль упругости; Ап — площадь сече-
ния нити нетто.
Результатом удлинения нити являет-
ся дополнительный провес Д/. Посколь-
ку площадь сечения вант из высоко-
прочных материалов невелика, а мо-
дуль упругости стальных тросов (1,ЗХ
X105... 1,7-105 МПа) значительно
меньше модуля упругости прокатной
стали, то упругий провес нитей может
быть настолько большим, что становит-
ся соизмеримым с начальным провесом
f и оказывает влияние на распор Я.
Распор нити с учетом упругих дефор-
маций после подстановки значения
полного провеса под нагрузкой f+
+ Д/ в выражение (XI.2)
Я = Mx^i/2/(f + Д/). (XI.6)
Очевидно, влияние величины упру-
гого провеса Д/ возрастает с уменьше-
нием начальной стрелы провеса f.
В пологих нитях (при отношении f/l<
<1/20) пренебрежение упругим удли-
нением нити приводит к погрешности
122
е
Рис. XI.3. Концевые крепления вант:
а — петля с коушем на зажимах; б — самозаклиннвающийся зажим; в — заливной стакан; г— гильзоклиновой
анкер; д — заливной етакан со скобой; е — гильзостержневой анкер; ж — «колодка с пробкой»; э — с упорной
шайбой; и — с фасонками; 1 — канат; 2 — фасонный клин; 3 — высокопрочный стержень; 4 — обжимная гильза:
5 — пучок высокопрочной проволоки; 6 — высокопрочная пробка; 7 — колодка; 8 — арматурный стержень
расчета 10 % и более, поэтому их
нужно рассчитывать как упругие. Не-
пологие нити (при f/Z>l/20) можно
рассчитывать как нерастяжимые. Та-
кой расчет идет в запас прочности, по-
скольку точное значение распора, опре-
деленное по формуле (XI.6), меньше
приближенного, найденного по форму-
ле (XI.2).
Детали конструктивных решений
гибких вант приведены на рис. XI.3—
XI.5.
Жесткие нити обладают изгиб-
ной жесткостью, благодаря чему удает-
ся значительно уменьшить кинемати-
ческие перемещения покрытий. Так
как жесткие нити выполняются из про-
катных профилей, материал которых
имеет более высокий модуль упругости
и меньшую прочность по сравнению
с тросами, то у них значительно ниже
и упругие деформации. Из-за высокой
стабильности жестких нитей стрелы
провеса для них могут приниматься
123
a
Рис. XI.4. Узлы пролетных конструкций:
а — пересечение вант; б — крепление стоек к поясам
вантовых ферм; в — крепление растяжек к поясам ван-
товых ферм; / — кожух из оцинкованной стали; 2 —
крепежный хомут
Рис. XI.5. Крепление к опорным конструк-
циям:
а, б — гибких нитей; в — жестких нитей; 1 — опорный
контур; 2 — ребро 3 — канат; 4 — закладная трубка;
5 — арматурный стержень
большими, чем для гибких нитей
(1/20—1/6 пролета). Большая жест-
кость позволяет покрытия с жесткими
нитями выполнять с малыми стрелами
провеса, равными 1/20—1/30 пролета.
Жесткие нити работают как растя-
нуто-изогнутые элементы. Если напря-
жения от изгиба составляют меньше
5 % напряжений от растяжения, то
нить можно рассчитывать как гибкую.
Существенно влияет на соотношение
возникающих в жесткой нити осевых
сил и изгибающих моментов изменение
стрелы провеса. Поэтому расчет же-
стких нитей выполняется по деформи-
рованной расчетной схеме, т. е. с
учетом упругого удлинения нити, вы-
званного нагрузкой [23].
Пример конструктивных решений
жестких нитей приведен на рис. XI.5, в.
Мембранные конструк-
ции — гибкие оболочки, которые ра-
ботают на растяжение в двух направ-
а
лениях. В отличие от вантовых кон-
струкций мембраны могут восприни-
мать сдвигающие усилия, что придает
им повышенную жесткость при не-
равномерных нагрузках, а также об-
легчает работу опорных конструкций.
Мембраны совмещают функции
ограждающих и несущих конструкций.
Они обладают повышенной надежно-
стью, так как в сплошных системах
местные дефекты менее опасны, чем
в стержневых.
Для мембран применяются стали
толщиной 2—6 мм с повышенной стой-
костью против коррозии и алюминие-
вые сплавы. Мембраны собираются из
листов на сварке и в компактных ру-
лонах доставляются для монтажа.
Провесы мембран допускаются очень
небольшими (1/50—1/25 пролета), что
уменьшает нефункциональный объем
зданий.
124
XIJ. ОПОРНЫЕ КОНСТРУКЦИИ
ВИСЯЧИХ ПОКРЫТИЯ
Опорные конструкции предназначены
для восприятия вертикальных и гори-
зонтальных усилий от пролетной части.
Так как горизонтальные усилия (рас-
пор) в пологих висячих системах очень
велики, опорные конструкции часто
оказываются наиболее дорогостоящим
элементом (их стоимость составляет
более половины стоимости покрытия).
Тип висячего покрытия, его очерта-
ние в плане предопределяют систему
и форму опорных конструкций. Подат-
ливость опорных конструкций оказы-
вает существенное влияние на напря-
женное состояние пролетной конструк-
ции. Поэтому расчет покрытия обычно
ведется с учетом совместной работы
опорной части с вантами, мембраной
или другими пролетными конструк-
циями.
Распор пролетной конструкции мо-
жет быть воспринят следующими
основными способами: передачей на
грунт через оттяжки и анкерные
фундаменты (рис. XI.6, а); передачей
на грунт с использованием имеющихся
в сооружении конструкций трибун,
междуэтажных перекрытий, фундамен-
тов и др. (рис. XI.6, б) или устрой-
ством специальных пилонов (рис.ХЕб,
в); устройством замкнутого в плане
опорного контура в уровне покрытия
(рис. XI.6, г, д); устройством жестких
распорок в виде мощных арок или
балок, перекрывающих пролет покры-
тия (рис. XI. 6, rw). Возможна комби-
нация этих решений.
Наиболее распространен в качестве
опорной конструкции опорный кон-
тур— замкнутая рама криволиней-
ного или многоугольного очертания,
поднятая на колоннах в уровень по-
крытия. Замкнутый контур восприни-
мает горизонтальные составляющие
(распор) сил натяжения нитей или
мембран и передает на колонны только
вертикальные усилия. Различают пло-
ские (рис. XI.6, г, д) и пространствен-
ные (рис. XI.6, е, ж) опорные контуры.
Опорный контур оказывается наи-
более легким, когда в нем отсутствуют
или пренебрежимо малы изгибающие
моменты. Такой контур называется
безмоментным. Безмоментность кон-
тура можно обеспечить подбором очер-
тания в плане. Его ось должна быть
близкой к кривой давления от распора.
Рис. XI.6. Типы опорных конструкций:
а —стойка с оттяжкой; б — рама; в — пилон; г, д — замкнутый плоский опорный контур; е — замкнутый про-
странственный опорный контур; ж — безмоментный контур с распорками; з — безмоментный контур со специ-
альной вантовой сетью; и г-то же, с тросами-подборами; / — оттяжки; 2 — стойка; 3 — трос-подбор
125
Поэтому наибольшее распространение
получили висячие покрытия круглой
и овальной формы (рис. XI.6, г).
В прямоугольных или других много-
угольных контурах (в случае крепле-
ния нитей в промежуточных точках
между вершинами углов) появляются
большие изгибающие моменты, что
ведет к утяжелению конструкции. Если
нужно получить безмоментный контур
на прямоугольном или многоугольном
плане, используют специальные систе-
мы вантовых сетей (рис. XL6, з).
Бсзмоментность может быть достиг-
нута также регулированием усилий в
сечениях контура за счет предвари-
тельного напряжения части нитей.
Частным случаем безмоментного кон-
тура является опорная конструкция
с гибкими, работающими на растяже-
ние элементами — троса м и-подборами
(рис. XI.6, и).
В большинстве случаев железобетон-
ный опорный контур экономичнее
стального.
XI.4. СПОСОБЫ УМЕНЬШЕНИЯ
ДЕФОРМАЦИЯ ВИСЯЧИХ ПОКРЫТИЙ
Деформации висячих покрытий яв-
ляются следствием кинематических
перемещений и упругих удлинений
элементов.
Различные меры по снижению де-
формативности висячих покрытий на-
правлены в первую очередь на умень-
шение кинематических перемещений
(стабилизацию покрытия) и в меньшей
степени на уменьшение упругого про-
гиба (повышение жесткости покрытия).
Уменьшение прогиба достигается
увеличением стрелы провеса, увеличе-
нием сечения несущих вант, предвари-
тельным напряжением тросовых эле-
ментов (см. § IX.3).
Стабильность покрытия может быть
обеспечена следующими способами:
увеличением массы покрытия; при-
менением нитей, жестких на изгиб;
созданием предварительного напряже-
ния; введением специальных стабили-
зирующих элементов.
Стабилизация висячих покрытий
играет важную роль в их образовании.
Можно считать, что приведенная в
§ XI.1 классификация видов покрытий
вытекает из способа их стабилиза-
ции.
Системами без специальных
стабилизирующих устройств
являются однопоясные покрытия, ван-
товые сети и мембраны с положитель-
ной или нулевой гауссовой кривизной
поверхности — цилиндрической (см.
рис. XI. 1, 9), вогнутого типа (см. рис.
XI. 1, г), а также шатровые покры-
тия отрицательной гауссовой кривизны
(см. рис. XI.1, в). Уменьшение дефор-
мативностд таких систем достигается
за счет массы настила, благодаря
чему изменение формы равновесия при
временных нагрузках оказывается не-
значительным. Для этого в покрытии
используют железобетонные плиты.
Но так как £ увеличением массы
растут затраты на опорные конструк-
ции, более выгодно включение железо-
бетонных плит в совместную работу
с вантами на растяжение. С этой
целью настил укладывается на сво-
бодно висящие нити (рис. XI.7, а) и
пригружается балластом (рис. XI.7, б),
под действием которого нити удлиня-
ются и швы между плитами расши-
ряются. Затем швы замоноличивают
и снимают балласт. Под действием
упругих деформаций вант, возникаю-
щих после разгрузки, плиты обжимают-
ся, и покрытие превращается в пред-
варительно напряженную монолитную
висячую оболочку, армированную ван-
тами (рис. XI.7, в). Чтобы такая
оболочка могла воспринимать времен-
ные нагрузки, величина балласта
должна быть больше, чем величина
временных нагрузок.
В результате применения про-
дольной стабилизации несу-
щих нитей специальными гибкими эле-
ментами образуются различные двух-
126
Рис. XI.7. Схема образования висячей оболоч-
ки:
а — укладка плит покрытия: б — замоноличивание сты-
ков под пригрузом; в—рабочая стадия; / — ванты;
2 — железобетонные плиты покрытия; 3 — пригруз;
4 — замоноличенный стык между панелями; 5 — железо-
бетонная оболочка, армированная вантами
поясные системы: с фиксирующими
раскосами (см. рис. XL1, ж), вантовые
фермы с безраскосной стоечной решет-
кой (см. рис. XI.1, и, м) ис раскосной
решеткой (см. рис. XI. 1, з). В этих
фермах пояса, направленные выпук-
лостью вниз, называются несущими,
а противоположные им пояса стабили-
зирующими. Последние могут воспри-
нимать отрицательные временные на-
грузки (отсос ветра) и располагаются
как выше, так и ниже несущих поясов.
Для обеспечения работоспособности
вантовых ферм в них создают пред-
варительное напряжение укорочением
(удлинением) стоек или натяжением
поясов. Введение жестких стабилизи-
рующих элементов превращает систе-
му в комбинированную (см. рис.
XI.1, н)«
В системах с поперечной ста-
билизацией несущие (вогнутые)
нити пересекаются стабилизирующими
(выпуклыми) нитями (см. рис. XI.1,
д), в результате чего образуются
седловидные сети отрицательной гаус-
совой кривизны (гиперболические
параболоиды). В случае применения
жестких элементов образуются канат-
но-балочные комбинированные кон-
струкции покрытий (см. рис. XI.1, е).
Однопоясные системы, вантовые сети
и оболочки неотрицательной гауссовой
кривизны геометрически изменяемы,
однако при равновесных нагрузках,
отличающихся лишь интенсивностью,
кинематические перемещения отсут-
ствуют, и эти системы не отличаются
от неизменяемых.
Для систем с продольной и попереч-
ной стабилизацией роль равновесной
нагрузки выполняет эпюра начальных
усилий, приложенных к несущим поя-
сам при предварительном напряжении
стабилизирующих тросов. Благодаря
этому такие системы становятся мгно-
венно жесткими и кинематическими
перемещениями в них можно прене-
бречь и при неравновесных нагрузках.
XI.5. ОСНОВЫ РАСЧЕТА ВИСЯЧИХ
ПОКРЫТИЙ
Расчет висячих покрытий произво-
дится по двум предельным состояниям:
по несущей способности, которая мо-
жет быть исчерпана прочностью вант
или мембраны, прочностью и устойчи-
востью опорных конструкций, возмож-
ностью утраты начального натяжения
вантами; по предельным деформациям
и перемещениям, превышение которых
может привести к повреждению кровли.
При расчете на прочность пролетных
конструкций наиболее невыгодным за-
гружением временной нагрузкой обыч-
но оказывается загружение всего по-
крытия. При расчете деформативности
невыгодными считаются загружения
временными нагрузками всего покры-
тия для определения упругого прогиба
127
и половины его площади для опре-
деления кинематических перемещений.
Расчет пролетных конструкций про-
изводится в следующем порядке:
1. Назначаются основные размеры
и определяется форма, которую при-
нимает система под действием полной
расчетной нагрузки.
2. Производится расчет на прочность,
который заключается в определении
усилий в несущих вантах или мембра-
нах и определении их сечений.
3. Производится расчет по деформа-
циям, в задачи которого входят опре-
деление вида и сечения стабилизи-
рующих конструкций из условия мак-
симально допустимых кинематических
перемещений под действием временных
нагрузок, а также проверка упругого
прогиба от временных нагрузок.
Проверка гибкой нити на прочность
выполняется по формуле.
T/An<R^ (XI.7)
где Т — расчетное усилие растяжения
нити; Ап— площадь сечения нетто; R—
расчетное сопротивление нити, прини-
маемое для проката равным расчетному
сопротивлению стали Ry, а для кана-
тов — по формуле
П ___ Wk р
*\и - ---- К ип♦
iu ttn In
но не более 0,7 Run. В приведенном вы-
ражении: 7с—коэффициент условий
работы канатного элемента (см. с. 27);
ул — коэффициент условий работы,
учитывающий влияние на прочность
каната местных концентраторов на-
пряжений:
Узлы и детали канатных элементов
Концевые крепления закрытых канатов 0,95
с заливкой цинковым сплавом
Перегибы каната вокруг жесткого 0,9
основания по круговой кривой при
отношении r/d (г — радиус кривой, d —
диаметр каната), не менее: 30—для
закрытых, 20 — для спиральных из
круглых проволок,- 15 — для много-
прядных канатов
Концевые крепления гильзоклинового 0,95
типа
Та = 1,3 — коэффициент надежности
для элементов конструкций, рассчиты-
ваемых по временному сопротивлению
разрыву; = 1,2— коэффициент на-
дежности стальных канатов по мате-
риалу; уп — коэффициент надежности
по назначению (см. с. 27); Run —
нормативное сопротивление каната по
временному сопротивлению, определяе-
мое по формуле RUn = NunlAn, где
Nun — значение разрывного усилия
каната в целом, приведенное в ГОСТе
или ТУ. Если в ГОСТе или ТУ при-
водится только суммарное разрывное
усилие всех проволок в канате Nt, то
Nun = kNt. Здесь k — коэффициент агре-
гатной прочности каната, учитываю-
щий, что разрывное усилие каната в
целом меньше суммарного разрывного
усилия проволок:
Тип канатов (пучков) k
Из параллельных проволок 0,95
Спиральные (из круглых проволок и 0,85
закрытые)
Многопрядные 0,80
Учитывая многообразие входящих в
ГОСТ или ТУ маркировочных групп
канатов по временному сопротивлению,
удобнее подбирать требуемый диаметр
каната по его разрывному усилию в
целом NUn> которое с учетом формулы
(XI.7) и приведенного выше выраже-
ния для расчетного сопротивления
каната,
Nun = ———. (XI.7, а)
I с
Расчет одиночной нити. Расчетное
усилие Т в гибкой нити определяется
по формуле (XI.3). Так как наиболь-
шим оказывается натяжение у концов
нити, то усилие Q определяется ка?
опорная реакция шарнирно оперто?
балки пролетом I (см. рис. XI.2).
Распор Н для нерастяжимой нить
(при f/Z>l/20) в простейших случая?
может быть определен из выраженш
(XI.1). Для этого нужно знать балоч
ный изгибающий момент в каком-либ(
128
Таблица XIЛ
Схема нагрузки Ьмочный момент М 6(£редине пролета D Af
>28 ЕМ1 ' I '
9 шш HlIllllllllHIIIIIIIIIIII
(
1/2 + w11 + 5pil3 /2 >2 ~>92
р
Q .тттптттптпт 1
/
Ч Пив [Тгтттт^^ггг^^ (?1//8О д /_нг 862 [Afl ( J
(/2
ъ
а 1. аР‘3 в (f-a)£Af2ll/
1 р
1
Примечание: а = a/Z.
сечении х и ординату кривой равнове-
сия нити у в этом сечении. Например,
если нить нагружена равномерно рас-
пределенной нагрузкой и известна
стрела провеса f нити в середине про-
лета, то для сечения x = Z/2
Я = д/2/(8/). (XI.8)
Здесь балочный момент М = ql2/8 (табл.
XI.1).
Однако в большинстве случаев при
действии различных временных нагру-
зок ординаты линии равновесия нити
заранее неизвестны. Поэтому распор Н
определяют по заданным схеме нагру-
жения и длине нити L до ее загруже-
ния (длина заготовки). Применяют
приближенную формулу
(XI.9)
или более точную:
(XI. Ю)
I
где D = $Q2dx — характеристики нагру-
о
зок, приведенные в табл. XI.l; L — дли-
на нити; I — пролет нити.
Пролет I и длина нити L связаны
формулой П. Л. Чебышева
Если известна первоначальная стрела
провеса f, то при равномерно распре-
деленной нагрузке можно воспользо-
ваться вытекающей из (XI.9) формулой
Я = (XI.12)
В растяжимых нитях (при f/l < 1/20)
нужно учитывать упругое удлинение
5 5-487
129
AL (XI.5), в результате которого воз-
никает дополнительный упругий провес
нити Д/:
(Х113>
где Н — распор, найденный как в не-
растяжимой нити по формулам (XI.9),
(XI.10) или (XI. 12). Значения Д/ для
некоторых нагрузок приведены в табл.
XI.1.
Приближенные значения распора в
растяжимой нити можно получить по
одной из формул (XI.9), (XI.10), под-
ставляя в них вместо L значение L +
4- AL, где AL определяется по форму-
ле (XI.5). Можно также воспользовать-
ся формулой (XI. 12), подставив в нее
вместо f величину f + Д/, определяя
Д/ по формуле (XI. 13).
Более точное значение распора упру-
гой нити определяется из решения ку-
бического уравнения
Н3 + 3 (Z//)2 (L/03 Н2 = 2/ (L//)3’ (х1-14)
где f и L принимаются без учета упру-
гих деформаций.
Расчет однопоясных систем в виде
параллельных и радиальных вант сво-
дится к приведенному выше расчету
одиночной нити. Расчетное усилие
определяется по формуле (XI.3).
Для равномерно нагруженного по-
крытия в виде системы параллельных
вант нужно воспользоваться схемой
нагрузки 1 в табл. XI. 1. Тогда расчет-
ное усилие после подстановки значе-
ний Q и Н
»ли
Т=,н/1+!^-‘, (XI,15)
где q — суммарная расчетная постоян-
ная и временная нагрузка.
В равномерно нагруженных покры-
тиях радиально-вантовой системы на-
грузка на каждую нить уменьшается
от опор к центру по линейному закону
(схема нагрузки 3 в табл. XI. 1). Рас-
четное усилие в нити после подстановки
значений Q и Я:
Т = Я]/1+^. (XI.16)
Прогиб Л/ определяется для соответ-
ствующих схем по табл. XI. 1.
Расчет двухпоясных систем типа
безраскосных ферм (рис. XI.8) можно
выполнять приближенным способом,
предполагая, что стабилизирующие
пояса в предельном состоянии выклю-
чаются из работы. Тогда расчетная
схема несущих и стабилизирующих
поясов принимается как для одиноч-
ной нити.
Для несущих поясов параллельно
и радиально расположенных безрас-
косных ферм расчетные усилия опре-
деляются соответственно по формулам
(XI.15) и (XI.16), где в качестве на-
грузки q принимается сумма постоян-
ной и временной нагрузок, увеличен-
ных на 10—15 % (с учетом взаимо-
9
а
5
Рис. XI.8. К расчету двух поясных систем:
а— с вогнутыми поясами; б — с. выпуклыми поясами;
/ — несущая ванта; 2—стабилизирующая ванта; 3 —
растянутые или сжатые стойки
130
(XI.18)
ИМйКйгя поясов от предварительного
Шййряжения ферм). Для стабилизи-
Ж'^пцих поясов нагрузка р состоит из
ШгрУ^кн от предварительного напря-
жения и отсоса ветра.
При определении прогибов двухпояс-
ных систем можно также использовать
формулы для одиночной нити, но при
^этом должна быть учтена совместная
работа поясов. Так как прогиб А/ оди-
наков для несущей и стабилизирующей
вант, то между изменениями их рас-
поров ДЯН и Д#с при упругих удлине-
ниях вант имеется зависимость
Д//с = аДЯн, (XI.17)
где
а —
Фн/н
Поэтому прогибы для параллельно
и радиально расположенных систем
получаются делением на коэффициент
а прогибов, определенных по табл. XI. 1
соответственно для нагрузок 1 и 3.
Расчет вантовых и комбинированных
ферм с треугольной решеткой (см. рис.
XI.1, з) не отличается от расчета ферм
с жесткими стержнями. Сжимающие
усилия в стержнях погашаются уси-
лиями предварительного напряжения,
и гибкие стержни всегда остаются
растянутыми.
Расчет перекрестных вантовых се-
тей сводится к совместному решению
системы уравнений равновесия, состав-
ленных для каждого узла сети,
и уравнений деформаций. Такие рас-
четы выполняются обычно на ЭВМ.
XI.6. КОНСТРУКТИВНЫЕ РЕШЕНИЯ X д-
ОДНОПОЯСНЫХ ПОКРЫТИЙ
Однопоясные покрытия с параллель-
ными вантами (см. рис. XI.1, а), ра-
диально-вантовые (см. рис. XI.1, б)
и перекрестные сети неотрицательной
гауссовой кривизны (см. XI.1, в) пред-
назначены в основном для создания
монолитных предварительно напряжен-
ных оболочек. Однако с введением
1 — бортовой элемент; 2 — наклонные пилоны; 3 -*
оттяжки; 4 — несущие ванты
жестких нитей такие системы могут
иметь самостоятельное применение и,
несмотря на усложнение монтажа, они
все более широко распространяются,
так как позволяют существенно умень-
шить массу покрытия.
В качестве примера покрытия с па-
раллельными вантами одного направ-
ления можно привести построенное в
Киеве прямоугольное здание рынка
пролетом 54 м (рис. XI.9). Спаренные
ванты из двух стержней арматуры
Рис. XI. 10. Схема радиально-вантового по-
крытия рынка в Одессе:
а—разрез; б—план
5*
131
Рис. XI.11. Покрытие
плавательного бассейна в
Харькове
1 -®?жесткая нить;. 2 —алю-
миниевая мембрана
диаметром 40 мм расположены с шагом
2 м. Покрытие выполнено из сборных
железобетонных плит. Стабилизация
покрытия достигается созданием моно-
литной железобетонной оболочки. Рас-
пор от пролетной части воспринимает-
ся железобетонными бортовыми эле-
ментами, опирающимися на наклонные
железобетонные пилоны, расположен-
ные внутри здания. Расход стали на
покрытие составил 27,6 кг/м2.
Покрытие павильона рыночного ком-
плекса в Одессе (рис. XI.10) решено
в виде двух вписанных друг в друга
поверхностей положительной гауссо-
вой кривизны. Наружный диаметр по-
крытия 120 м. Ванты крепятся к опор-
ному контуру многоугольной формы
в плане, а в центральной зоне зда-
ния — к опорному канату, на котором
расположен светоаэрационный фонарь.
Примером покрытия с жесткими ни-
тями является цилиндрическое покры-
тие плавательного бассейна в Харькове
(рис. XI.11), где в качестве вант при-
менены спаренные сварные двутавры
высотой 72 см.
Рис. XI. 12. Покрытие Дворца спорта в Виль-
нюсе:
1 -= несущие канаты; 2 = стабилизирующие жесткие
фе; ы я
В покрытии Дворца спорта в Виль-
нюсе (рис. XI.12) применена комбина-
ция канатов с жесткими фермами того
же направления. Канаты расположены
в плоскости ферм вдоль нижних поясов
и выполняют основные несущие функ-
ции. Фермы предназначены для увели-
чения жесткости покрытия.
XI.7. КОНСТРУКТИВНЫЕ РЕШЕНИЯ
ДВУХПОЯСНЫХ ПОКРЫТИИ Эу
Так как в двухпоясных системах в
одной вертикальной плоскости с несу-
щими вантами всегда расположены
стабилизирующие ванты (см. рис. XI.1,
ж — м) или балка жесткости (см.
рис. XI.1, к), то эти системы оказы-
ваются малодеформативными и позво-
ляют использовать в покрытиях легкие
ограждающие конструкции.
Основными элементами двухпоясных
систем являются вантовые фермы. Раз-
личная конфигурация этих ферм
(двояковыпуклые, двояковогнутые, вы-
пукло-вогнутые) , а также изменение
взаимного расположения ферм в по-
крытии (параллельное, радиальное и
перекрестное) дают многообразие кон-
структивных схем покрытий (см.
рис. XI.1).
Выбор схемы диктуется не только
формой покрытия, но и требованиями
жесткости. Кинематические перемеще-
ния двухпоясных систем зависят в
основном от типа решетки вантовых
ферм. Безраскосные фермы с решет-
кой из одних вертикальных подвесок
или стоек (см. рис. XI.1, и, м) более
деформативны. Если в решетку вклю-
чить наклонные элементы (см. рис.
132
Рис. XI. 13. Покрытие Дворца спорта «Юби-
лейный» в Ленинграде
Рис. XI. 14. Автобусный гараж в Берлине
XI. 1, ж, з), которые препятствуют
взаимному продольному смещению
поясов (т. е. воспринимают сдвиг
между поясами), то жесткость ферм
значительно повысится.
При выборе схемы покрытия должно
учитываться также то, что двояко-
выпуклые покрытия (см. рис. XI.1, и)
имеют большую строительную высоту,
но зато требуют один опорный контур.
Стойки ферм в таких покрытиях рабо-
тают на сжатие, что приводит к увели-
чению затрат стали. Двояковогнутые
покрытия (см. рис. XI.1, з, м) при
меньшей строительной высоте требуют
два опорных контура. В двояковогну-
тых схемах все стойки работают на
растяжение и получаются очень лег-
кими.
Непременное условие- работоспособ-
ности двухпоясных систем предвари-
тельное напряжение стабилизирующих
вант, которое должно обеспечивать их
работу на сжатие при любых сочета-
ниях нагрузок.
Впервые двухпоясная вантовая си-
стема без соединительных стоек типа
«велосипедное колесо» была применена
на Всемирной выставке в Брюсселе
в 1958 г. в перекрытии круглого зала
диаметром 104 м павильона США.
Диаметр основных несущих канатов
64 мм, а стабилизирующих — 32 мм.
В центре канаты крепятся к стальному
растянутому барабану, а по пери-
метру — к стальному сжатому кольцу.
На стабилизирующие тросы уложены
легкие пластмассовые панели.
В покрытии Дворца спорта «Юбилей-
ный» в Ленинграде применена двух-
поясная выпукло-вогнутая система. Не-
сущие ванты крепятся к контуру выше
стабилизирующих. Такое решение поз-
волило уменьшить длину сжатых стоек,
а также довести строительную высоту
покрытия в центре здания до 5,5 м
'(рис. XI.13).
Примером двухпоясной системы с
растянутыми стойками может служить
перекрытие автобусного гаража про-
летом 50 м в Берлине (рис. XI.14).
В этом здании прямоугольной формы
покрытие опирается на ’пристройки,
усиленные контрфорсами, которые вос-
принимают распор. Система стабили-
зирована еще дополнительными ванта-
ми-подкосами.
Параллельно расположенные ванто-
вые фермы применены в покрытии
Рис. XI. 15. Покрытие зимнего стадиона «Юхан-
несхоф» в Стокгольме
133
зимнего стадиона «Юханнесхоф» в
Стокгольме. Вантовая раскосная ферма
системы Яверта имеет пролет 82,8 м
(рис. XI.15). Распор системы и усилия
преднапряжения воспринимаются через
оттяжки фундаментами, вынесенными
за пределы здания. Верхние пояса
ферм выполнены из тросов диаметром
58 мм, а нижние — 48 мм. Раскосы
также приняты тросовыми.
XI.8. СЕДЛОВИДНЫЕ ПОКРЫТИЯ
Седловидные сети, образованные си-
стемой вогнутых несущих и пересекаю-
щих их выпуклых стабилизирующих
нитей, позволяют получать разнообраз-
ные и выразительные формы покрытий.
Отличительная особенность седло-
видных покрытий — необходимость со-
здания пространственных опорных кон-
туров в виде различных комбинаций
криволинейных или полигональных
арок. Степень стабилизации таких си-
стем, геометрия поверхности и распре-
деление усилий в вантовой сети тесно
связаны с конфигурацией опорного
контура.
Так же, как и для двухпоясных си-
стем, непременным условием существо-
Рис. XI. 17. Крытый рынок в Киеве
вания седловидных покрытий является
предварительное напряжение стабили-
зирующих вант.
Примером покрытия на опорном
контуре из двух «падающих» арок
служит покрытие киноконцертного зала
«Украина» в Харькове (рис. XI. 16).
Несущие ванты выполнены из пуч-
ков параллельно уложенных высоко-
прочных проволок диаметром 5 мм,
стабилизирующие — из стальных спа-
ренных тросов диаметром 9 мм.
Седловидное покрытие с использо-
ванием двух арок — стальной пролетом
75 м, установленной под углом 58°,
и железобетонной, уложенной на ко-
лонны, было применено при строитель-
стве Певческой эстрады в Таллине.
Стальная арка трубчатого сечения
диаметром 2 м заполнена бетоном и
своей массой уравновешивает распор
вант.
Седловидные покрытия могут быть
применены для зданий с прямоуголь-
ным планом. Они более рациональны
с точки зрения использования внутрен-
него функционального объема здания.
В покрытии рынка в Киеве (рис. XI.17)
с размерами в плане 42X42 м опорный
контур выполнен в ви’де двух треуголь-
ных арок. Несущие ванты приняты из
арматурной стали диаметром 16...
40 мм.
Уникальное покрытие сооружено над
зданием бассейна олимпийского ком-
плекса на проспекте Мира в Москве.
Здание в плане имеет форму овала
134
Рис. XI. 18. Покрытие олимпийского бассейна
на проспекте Мира в Москве
с главными осями 126 и 114 м. Несу-
щие конструкции пролетной части по-
крытия представляют собой систему
стальных висячих ферм пролетом от
40 до 114 м, очерченных по параболе
и подвешенных с шагом 4,5 м к двум
железобетонным двухшарнирным на-
клонным аркам пролетом 126 м (рис.
XI.18). Висячие фермы имеют прови-
сание до 18 м и работают как нити,
обладающие изгибной жесткостью. По-
крытие стабилизируется предваритель-
но напряженными связями по фермам.
XI.9. ПОКРЫТИЯ ШАТРОВОГО
ТИПА
В шатровых покрытиях помимо опор-
ных контуров используются промежу-
точные опоры в пролете покрытия.
Такими опорами могут быть: одна
центральная стойка для зданий, круг-
лых в плане, несколько стоек, цен-
тральная коньковая ванта, централь-
Рис. XI. 19. Шатровое покрытие гаража в
Киеве
ная арка, если форма здания в плане
отличается от круглой.
В зависимости от конфигурации по-
верхности шатровые покрытия могут
быть отнесены к однопоясным систе-
мам неотрицательной гауссовой кри-
визны или седловидным системам. По-
этому их стабилизация достигается как
утяжелением кровли, так и введением
стабилизирующих гибких или жестких
вант и использованием предваритель-
ного напряжения.
В качестве примера системы с цен-
тральной стойкой можно привести по-
крытие гаража в Киеве (рис. XI.19)
диаметром 160 м.
Покрытие представляет собой одно-
поясную систему радиально располо-
женных вант из тросов диаметром
65 мм, прикрепленных в центре здания
к железобетонной башне-пилону высо-
той 17,9 м и диаметром 8 м. По наруж-
ному контуру здания ванты крепятся
к кольцевому железобетонному контуру
корытообразной формы, уложенному
на наклонные стойки. В этом здании
стабилизация покрытия предваритель-
ным напряжением не была осуще-
ствлена, что негативно сказалось при
эксплуатации.
Примером покрытия с центральными
коньковыми вантами является покры-
Рис. XI.20. Олимпийский бассейн в Токио
135
тие плавательного бассейна в Токио,
построенного к Олимпийским играм
в 1964 г. (рис. XI.20). Зал имеет в
плане форму овала с размерами по
осям 126X114 м. На главной оси
овала, на расстоянии 126 м один от
другого, расположены два пилона вы-
сотой 39,6 м, через которые перебро-
шены два кабеля, закрепленных в фун-
даментах и выполненных из 31 высоко-
прочного стального каната диамет-
ром 52 мм.
Кабели раздвигаются в плане отно-
сительно продольной оси здания и со-
единяются горизонтальными связями,
образуя безраскосную ферму, на кото-
рую опираются поперечные жесткие
ванты из стальных двутавров высотой
500—1000 мм. Жесткие ванты другими
концами крепятся к железобетонным
бортовым элементам контура здания,
являющимся одновременно и конструк-
циями трибун. Для стабилизации по-
крытия поперечные жесткие ванты
пересекаются предварительно напря-
женными канатами.
XI.10. ВАНТОВЫЕ И ВИСЯЧИЕ
КОМБИНИРОВАННЫЕ ПОКРЫТИЯ
В комбинированных покрытиях в
совместную работу с гибкими нитями
включаются жесткие элементы, вос-
принимающие изгиб или сжатие. Это
исключает необходимость применять
для стабилизации не только утяжеле-
ние кровли, но и предварительное на-
пряжение большими усилиями.
Конструктивная форма комбиниро-
ванных покрытий очень разнообразна.
Они могут образовываться из плоских
комбинированных ферм с жесткими
нижними поясами (см. рис. XI.1, м)
или иметь пространственную систему,
если элементами жесткости служат
пространственные стержневые плиты
(см. рис. Х.17).
Одним из первых осуществленных
в нашей стране комбинированных по-
Рис. XI.22. Зимний стадион в Скво-Вэлли
(США)
136
йсрытий явилось покрытие павильона
МЗССР на Всемирной выставке в Брюс-
селе в 1958 г. (рис. XI.21). Его особен-
ность заключается в том, что покрытие
центральной части зала через систему
бантовых консолей уравновешивается
массой наружных стен.
В качестве примера применения ван-
товых покрытий комбинированной си-
стемы в сооружениях спортивного на-
значения можно привести покрытие
зимнего олимпийского стадиона в
Скво-Вэлли (США) (рис. XI.22) про-
летом 91,5 м, в котором поперечная
конструкция образована двумя наклон-
ными коробчатыми стальными бал-
ками, подвешенными на вантах к пи-
лонам. На балки уложены прогоны
и металлические щиты покрытия.
Xl.11. МЕМБРАННЫЕ ПОКРЫТИЯ
Мембранные покрытия совмещают
функции несущих и ограждающих кон-
струкций. Их конструктивная форма —
растянутая поверхность — обеспечи-
вает наиболее полное использование
высоких прочностных свойств стали
и алюминиевых сплавов.
Для них могут применяться инду-
стриальные приемы изготовления и
монтажа листовых конструкций мето-
дом рулонирования.
Высокая экономичность мембранных
покрытий, а также надежность в экс-
плуатации делают эти системы наи-
более перспективными для строитель-
ства большепролетных сооружений.
В последнее время мембранные по-
крытия стали применяться не только
Рис. XI.23. Универсальный спортивный зал
в Ленинграде:
1—стальная мембрана; 2 — стабилизирующие фермы;
3 — приконтурная зона; 4 — железобетонныи опорный
кольцевой контур; 5 стабилизирующие тросы
Рис. XI.24. Мембранное покрытие олимпийско-
го велотрека
на круглых, но и на овальных и прямо-
угольных контурах. Оказалось эффек-
тивным совмещение работы с мембра-
нами гибких и жестких нитей.
На рис. XI.23 показано мембранное
покрытие универсального спортивного
зала диаметром 160 м в Ленинграде.
Сварная стальная мембрана 1 толщи-
ной 5 мм крепится анкерами к железо-
бетонному опорному контуру 4. В цен-
тре мембрана переходит в радиально
расположенные стабилизирующие фер-
мы 2, на которые уложены железо-
бетонные кровельные плиты, создаю-
щие необходимый пригруз. По пери-
метру здания мембрана дополнительно
стабилизируется системой тросов 5,
Уникальным сооружением с мем-
бранным покрытием является здание
олимпийского велотрека в Крылат-
ском в Москве (рис. XI.24). Велотрек
в плане имеет форму, близкую к эл-
липсу с размерами осей 168 и 132 м.
137
Рис. XI.25. Универсальный олимпийский ста-
дион в Москве:
/ — колонны каркаса; 2 — опорный контур; 3 —сталь,
ная мембрана; 4 — стабилизирующие фермы
Покрытие велотрека осуществлено
двумя мембранными седловидными
оболочками, закрепленными на наклон,
ных бесшарнирных арках пролетом
168 м. Мембраны изготовлены из
рулонированных сварных полотнищ
толщиной 4 мм и уложены на спе-
циальные направляющие из стальных
полос 750X6 мм, расположенные с
шагом 6,3 м между каждой парой
арок.
Наиболее крупным сооружением
является универсальный олимпийский
стадион, построенный в Москве на
проспекте Мира (рис. XI.25). Здание
эллиптической формы имеет уникаль-
ные размеры в плане — 224X183 м
по главным осям и перекрывается
мембраной толщиной 5 мм, подкреп-
ленной системой кольцевых и мери-
диональных ребер, предназначенных
для возможности монтажа мембраны
без подмостей и создания акустиче-
ского подвесного потолка. Радиальные
ребра представляют собой легкие ви-
сячие фермы, расположенные с шагом
10 м по наружному периметру. Коль-
цевые ребра выполнены из прокатных
швеллеров. Железобетонный опорный
контур, к которому крепится мембрана,
уложен на стальные колонны, расстав-
ленные по периметру здания с ша-
гом 20 м.
Глава XII. СТАЛЬНЫЕ КАРКАСЫ ВЫСОТНЫХ ЗДАНИЙ
XII.1. НАЗНАЧЕНИЕ И СИСТЕМЫ
СТАЛЬНЫХ КАРКАСОВ
В качестве несущих конструкций
многоэтажных высотных зданий ис-
пользуются стальные или железобетон-
ные каркасы [22].
Положительными свойствами сталь-
ных каркасов являются: значительно
меньшие поперечные сечения отдель-
ных элементов и меньшая их масса по
сравнению с железобетонными; воз-
можность индустриального изготовле-
ния; более легкая доставка к месту
строительства; сравнительно простая
сборка и скоростной монтаж.
С точки зрения затрат металла эф-
фективность стальных каркасов повы-
шается с увеличением этажности.
Вместе с тем при большой этажности
нужна специальная противопожарная
защита, что усложняет и удорожает
строительство.
138
Высотные здания сравнительно не-
большой высоты появились в конце
прошлого столетия в США. Считает-
ся, что первый 20-этажный дом со
стальным каркасом был построен в
Чикаго в 1893 г. (Чикагская архитек-
турная школа, много сделавшая в раз-
витии каркасного домостроения), хотя
первым зданием с применением сталь-
ных элементов, по-видимому, следует
считать здание шоколадной фабрики,
построенное в 1872 г. в Нуазье-на-
Марне (Франция) (рис. XII.1).
Стальные каркасы высотных зданий
состоят из колонн, ригелей, балок пе-
рекрытий и связей и воспринимают
значительные вертикальные и горизон-
тальные нагрузки.
Стеновые конструкции, обычно лег-
кие панели с утеплителем, в работе
на основные нагрузки не участву-
ют и выполняют ограждающие функ-
ции.
Рис. XII.I. Фраг-
мент здания фабри-
ки в Нуазье-на-
Марне
Системы современных стальных кар-
касов высотных зданий классифици-
руют по способу создания горизонталь-
ной жесткости. По этому признаку они
могут быть разделены на следующие
типы:
I. Системы стальных каркасов, при-
меняемые в основном для зданий в
40—60 этажей: рамная; связевая; рам-
но-связевая; каркасно-ствольная (с
жестким ядром); коробчато-ствольная
(«труба в трубе»).
II. Системы стальных каркасов для
высотных и сверхвысотных зданий: с
внешними связевыми фермами; короб-
чатая; мегамодульная и пространствен-
ная двухслойная (типа пространствен-
ной стержневой оболочки).
XI 1.2. РАМНАЯ И СВЯЗЕВАЯ у 7
СИСТЕМЫ Z '
Рамная система (рис. XII.2)
состоит из колонн и ригелей, соединен-
ных жестко в узлах, и представляет
собой набор многопролетных, много-
этажных рам, способных воспринимать
как вертикальные, так и горизонталь-
ные нагрузки.
Для обеспечения совместной работы
рам на горизонтальные нагрузки устра-
ивают горизонтальные жесткие диски-
диафрагмы замоноличиванием панелей
перекрытий. Такие диски располагают
по высоте здания через несколько эта-
жей. В рамной системе вертикальные
связи отсутствуют, что удобно при
разработке планировочного решения
здания (элементы каркаса не мешают
организации оконных и дверных про-
емов) .
К недостаткам рамной системы мож-
но отнести большую сложность кон-
структивных решений узлов, так. Как
они должны обеспечивать необходимую
жесткость всего каркаса, что увеличи-
вает затраты металла по сравнению
с другими системами. Рамная система
более рациональна для зданий средней
этажности (30—40 этажей). Она ис-
пользовалась в первых высотных зда-
ниях Москвы.
Современным зданием с рамным
каркасом является, например, книго-
хранилище Центральной научной биб-
лиотеки АН УССР, построенное в
1982 г. в Киеве (рис. ХН.З).
В связевой системе между ко-/
лоннами устанавливаются вертикаль-
ные связи, образующие вместе с ко-
лоннами вертикальные фермы (рис.
XII.4), которые воспринимают нагруз-
ки от ветра. Узлы сопряжения колонн
с ригелями выполняются шарнирными.
По конструкции они проще, чем рамные.
Затраты металла в связевой системе
на 20—30 % меньше по сравнению с
рамной, и система получается более
жесткой. Вместе с тем связи загромож-
139
Рис. XI 1.2. Рамная система стального кар-
каса:
1 — колонны; 2 — ригели; 3 — жесткие узлы
Рис. XI 1.3. Стальной каркас Центральной
научной библиотеки АН УССР в Киеве:
/—многонролетные ригели; 2 — колонны, преры-
ваемые в каждом уровне междуэтажных перекры-
тий для пропуска ригелей
дают проемы в стенах и поэтому
располагаются в местах, удобных с
точки зрения планировки помещений
(рис. XII.4, а).
Схемы решеток связей могут быть
следующими: крестовая (рис. XII.4,
б) — наиболее жесткая, но может
применяться только в глухих панелях;
полураскосная (рис. XII.4, в)—наи-
более удобная для устройства про-
емов; ромбическая (рис. X1I.4, г) —
менее рациональная из-за большого
количества узлов; неполная (рис. XII.4,
д) — менее жесткая, но допускающая
свободное расположение оконных и
дверных проемов.
Примером каркаса связевой систе-
мы может служить высотная часть
Московского государственного универ-
ситета, где были применены неполные
связи.
Как в рамной, так и в связевой
системе для обеспечения пространст-
венной жесткости здания и включения
в совместную работу на горизонталь-
ные нагрузки всех вертикальных связе-
вых ферм по высоте здания устраи-
ваются горизонтальные связи или жест-
кие горизонтальные диски в уровнях
перекрытий.
XII.3. РАМНО-СВЯЗЕВАЯ СИСТЕМА
В рамно-связевой системе (рис.ХП.5)
связи устанавливаются в одной из
плоскостей здания, а в перпендикуляр-
но
а
б
г
Связевая система
О
Рис. XII.4,
стального каркаса:
а — расположение вертикальных
связей; б —крестовая решетка; в —
полураскосная; г—ромбическая;
д — неполная; 1 — горизонтальные
диски жесткости; 2 — связевые фер-
мы; 3 — плоскости расположения
связевых ферм; 4 — оконные и двер-
ные проемы
Рис. XI 1.6. Рамно-связевой каркас жилого
дома в Брюсселе:
а — рамы продольных стен; б — связевые фермы тор-
цевых стен; 1 — жесткие узлы; 2 — шарнирные узлы;
3 — связи
ной к ней связи отсутствуют, В плос-
кости связей каркас работает как свя-
зевой, а в перпендикулярном направле-
нии — как рамный.
В качестве примера рамно-связевой
системы можно привести жилой
18-этажный дом на 95 квартир, постро-
енный в Брюсселе (рис. XII.6). В этом
сравнительно узком и длинном здании
горизонтальные силы от ветра, дейст-
вующие на торцы здания, восприни-
маются многопролетными многоэтаж-
ными рамами, а в перпендикулярном
направлении передаются на вертикаль-
ные связевые фермы-диски, располо-
женные в плоскостях торцевых стен.
XII.4. КАРКАСНО-СТВОЛЬНАЯ СИСТЕМА
В каркасно-ствольной системе в
центральной части здания устраивает-
ся жесткий ствол-ядро, воспринимаю-
щий помимо вертикальных нагрузок
все горизонтальные силы. В таком
стволе обычно располагаются лест-
ничные клетки и лифты. Ствол может
быть выполнен как в металлических,
так и в железобетонных конструкциях.
141
Рис. XI 1.7. Каркасно-ствольная система:
fl —с наружными колоннами; б —с подвеской этажей по периметру здания; в — с подвеской этажей к предва* -
рительно напряженным канатам; г — с консольными балками; / —колонны; 2 — ванты или подвески; 3 — пред-
напряженные ванты; 4 — консольные балки; <5— жесткий ствол
Рис. XI1.8. Стальной каркас 20-этажной
гостиницы «Киев»
Рис. XII.9. Высотное здание в Лондоне:
] — подвеска; 2 — наклонная оттяжка из шести полос; 3 —
железобетонное ядро жесткости
142
Рис. ХИЛО.
Проект каркаса
31-этажного
здания в Бол-
гарии:
/ — колонны; 2 —
подвески
Каркасно-ствольная система может
быть разделена на 4 типа: с наружны-
ми колоннами (рис. XII.7, а), с под-
веской этажей по периметру здания
на стальных полосах, круглых тягах
или канатах к верхним консольным бал-
кам (рис. XII.7, б), с подвеской этажей
к предварительно напряженным кана-
там, заделанным внизу в фундаменты
(рис. XII.7, в), и с консольными бал-
ками, заделанными в стволе здания и
поддерживающими этажи вокруг ство-
ла (рис. XII.7, г).
Каркасно-ствольная система с наруж-
ными колоннами позволяет присоеди-
нять колонны к ригелям шарнирно и
передавать все горизонтальные нагруз-
ки на центральный ствол здания. Ко-
лонны в этом случае в основном ра-
ботают на центральное сжатие, что
значительно облегчает конструкции.
К указанной системе можно отне-
сти 20-этажную гостиницу «Киев»
(рис. XII.8). Здание состоит из двух
частей: высотной 20-этажной и
3-этажной, примыкающей к высотной.
Каркасно-ствольная система с под-
веской этажей к верхним консольным
балкам (возможна подвеска и к про-
межуточным консольным балкам) поз-
воляет освободить первый этаж от ко-
лонн для тротуаров. Это сокращает
затраты металла, так как вместо ко-
лонн используются стальные растяну-
тые элементы.
В качестве примера такого каркаса
можно привести 30-этажное здание
страховой компании со стальным кар-
касом с подвешенными этажами в двух
уровнях, построенное в Лондоне в
70-х годах. Центральное ядро жест-
кости выполнено железобетонным с
размерами 22,85X15,25 м (рис. XII.9).
Балки междуэтажных перекрытий од-
ним концом опираются на ядро жест-
кости, а другим крепятся к подвескам
из листовой стали. Толщина подвесок
изменяется от 19 мм внизу до 51 мм
в местах примыкания к консольным
фермам, передающим нагрузки на ядро
жесткости. Консольные фермы распо-
ложены в двух уровнях — в середине
здания (воспринимают нагрузки от
нижних 12 этажей) и в верхней его
части.
Ряд проектов высотных зданий с под-
вешенными этажами разработали бол-
гарские специалисты. Архитектор
В’ Петров и инженер Р. Младжов пред-
ложили проект 31-этажного здания
«Тяжелая химия» высотой 115 м с раз-
мерами в плане 20X40 м, в которой
первые 6 этажей покоятся на колон-
нах, а остальные подвешены к цент-
ральному железобетонному ядру. Под-
веска осуществляется в двух местах
по высоте здания к специальным фер-
мам (рис. XII.10).
Каркасно-ствольная система с пред-
варительно напряженными внешними
канатами, заделанными в фундамент-
ную плиту здания, позволяет включить
канаты в работу на ветровую нагрузку
143
Llllilllll
Tim i л..: l.iiw
jm.iJ:-crL,7.L4u?
Imi.Lr.l. LL.LIIIL'
ДЦТ.Ц L.I 'Щ
II ni I i i i ггтттГ
;i»rri i । 1...ГЩЩ
'ini i г i г г 11 ни1
ДТП I iith I Illi1
jnl i i I I 111 I Ilf
*тптгт~г i~i rrinf
‘lll'l I I I I I I I 11 if
>rn гш;
>rn-i-ri -I- ITlTTlf
jnr rrj- ’O’unit
/UP U LT r> H 4fL
iim i-i i "i г i i nt
Рис. XII. П. Высотная гостиница с предварительно
напряженными вогнутыми вантами (проект)
Рис. XII. 12. Административное здание в Брюс-
селе:
1 — консольные балки междуэтажных перекрытий; 2 —
стальные колонны ядра жесткости
(за счет предварительного напряже-
ния) и тем самым облегчить работу
центрального ядра на горизонтальные
силы. Исследование и проектирование
таких высотных зданий производятся
в институте КиевЗНИИЭП. Представ-
ляет интерес проектное предложение
высотной гостиницы с предварительно
напряженными вогнутыми вантами
(рис. XII.11).
Каркасно-ствольная система с кон-
сольными балками перекрытий была
применена в административном здании
правления «Тур дю Миди» в Брюсселе,
построенном в 1962—1966 гг. (рис.
XII.12) > В этом 37-этажном квадрат-
ном в плане здании с размерами
сторон 38,5x38,5 м центральное ядро
жесткости выполнено из 4 стальных
колонн уголкового сечения с размерами
сторон 700X700 мм, объединенных же-
лезобетонными стенами. К ядру кре-
пятся консольные балки с вылетом
консолей 10 м, которые поддерживают
144
по \ва этажа. Двутавровые балки
междуэтажных перекрытий имеют в
зоне ядра жесткости высоту 1235 мм
и по концам консолей 430 мм.
XII.5. КОРОБЧАТО-СТВОЛЬНАЯ
СИСТЕМА \
В каркасах кОробчато-ствольной сис-
темы горизонтальные силы восприни-
маются не тольк^ центральным жест-
ким ядром (как в каркасно-ствольной),
но и наружным контуром здания —
коробкой, представляющей собой жест-
кий каркас, соединенный с централь-
ным ядром горизонтальными диафраг-
мами. Такая система, получившая на-
звание «труба в трубе», состоит как
бы из двух труб, вставленных одна
в другую и работающих совместно,
хорошо сопротивляется горизонталь-
ным силовым воздействиям и обла-
дает большей жесткостью и меньшей
деформативностью, чем приведенные
выше конструкции. Коробчато-стволь-
ная система целесообразна для зда-
ний выше 50—60 этажей.
Интересным решением этой системы
является 64-этажное административное
здание предприятия стальной индуст-
рии в Питтсбурге (США), построен-
ное в 70-х гг. (рис. XII.13). В этом
здании центральное ядро представля-
ет собой вертикальную трехгранную
решетчатую призму-ствол, закреплен-
ную в фундаменте, с решеткой из дву-
тавровых элементов. Наружный пери-
метр здания (коробка) повторяет кон-
тур центрального ядра, отстоит от
него на 13,8 м и имеет срезанные углы.
Мощные колонны, расположенные по
контуру здания, вынесены за пределы
наружных стен, поставлены с шагом
11,9 м и выполнены сварными короб-
чатого сечения из листов размером
733—712 мм. Толщина листов по вы-
соте колонн разная и в нижней части
доходит до 100 мм. Колонны соединя-
ются между собой в каждом третьем
Рис. XI 1.13. Административное здание в Пит-
тсбурге (США):
/ __ коробчатые колонны; 2 — центральный жесткий
ствол
этаже при помощи мощных сварных
коробчатых ригелей — ранд-балок се-
чением 490x368 мм, также вынесен-
ных за пределы наружных стен.
XII.6. НЕКОТОРЫЕ РЕШЕНИЯ
СТАЛЬНЫХ КАРКАСОВ
СВЕРХВЫСОТНЫХ ЗДАНИИ
За последние десятилетия при строи-
тельстве зданий с количеством этажей
более 100 и высотой свыше 300 м
появились новые решения стальных
каркасов [4], обеспечивающие их
большую горизонтальную жесткость
при действии ветровых нагрузок. Так,
145
Рис. X 11.14. Стальной каркас 100-этажного зда-
ния Джон-Хэнкок билдинг в Чикаго высотой
335,28 м с наружными св язевыми фермами
в ряде построенных зданий уменьше-
ние горизонтального прогиба, т. е. от-
клонения верха сооружения от верти-
кальной оси, достигается включением
в работу на горизонтальные нагрузки
не центрального жесткого ядра, а все-
го наружного контура здания. Системы
таких зданий можно разделить на три
основных типа.
К первому типу могут быть от-
несены каркасы, в которых колонны,
соединенные между собой мощными
вертикальными связями, размещены с
наружной стороны стен здания. Обра-
зованные таким образом внешние вер-
тикальные фермы хорошо восприни-
мают как горизонтальные, так и вер-
тикальные нагрузки. Материал кар-
каса работает эффективнее, чем при
расположении связей в центральном
ядре.
Недостатком является то, что рас-
косы решетки и узловые листы, имею-
щие при больших высотах значитель-
ные размеры, пересекают окна поме-
щений и затемняют их. Основные
колонны могут располагаться верти-
кально и наклонно.
Второй тип зданий представляет
собой жесткую трубу-коробку, образо-
ванную наружными стенами и способ-
ную выдерживать значительные гори-
зонтальные силы при минимальном
горизонтальном прогибе. При этом
центральное ядро, необходимое для
размещения лифтов и других коммуни-
каций, работает только на осевые
вертикальные нагрузки и поэтому кон-
структивно может быть выполнено
гораздо проще.
Горизонтальная жесткость трубы-
коробки достигается частым располо-
жением колонн и устройством мощ-
ных ригелей, превращающих наруж-
ные стены здания в безраскосные
фермы.
а 5
Рис. XI 1.15. Высотное здание в Питтсбурге без
колонн с внешним каркасом в виде ромбической
решетки:
а — фасад; б — фрагмент наружной плоскости каркаса:
1 — раскосы; 2 — прогоны; 3 — балки перекрытий
146
Рис. XI1.16. Сталь-
ной каркас ИО-
этажного здания
Центра междуна-
родной торговли в
Нью-Йорке:
а — продольный разрез
и план; 6—фрагмент
каркаса наружной
стены; / — квадратные
колонны; 2 — ригели
из листов; 3 — окон-
ные проемы
Втретьемтипе зданий каркасом
может служить двухслойная простран-
ственная стержневая оболочка (струк-
тура) из стальных труб большого диа-
метра (до 2 м), охватывающая здание
с внешней стороны. Здание, располо-
женное внутри оболочки, состоит из
многоэтажных блоков, каждый из кото-
рых крепится к специальным решетча-
тым фермам — диафрагмам каркаса
оболочки. По такому типу построено
в Чикаго здание, имеющее 150 этажей
и высоту 505 м.
На рис. XII.14—XII.16 представлены
каркасы некоторых сверхвысотных
зданий.
XII.7. ОСНОВЫ КОМПОНОВКИ
И КОНСТРУИРОВАНИЯ СТАЛЬНЫХ
КАРКАСОВ
Выбор системы каркаса, размеще-
ние колонн и балок в плане, распо-
ложение связей в первую очередь
зависят от этажности и архитектур-
но-планировочного решения здания.
В Советском Союзе в зданиях средней
этажности чаще всего применяются
стальные каркасы связевой или рамно-
связевой системы с расположением
колонн, ригелей и связей внутри зда-
ния.
При проектировании высотных кар-
касов существен правильный выбор
шага колонн, так как расстояние меж-
ду колоннами значительно влияет на
затраты металла. При большем шаге
масса колонн снижается, а масса ри-
гелей увеличивается, при меньшем —
наоборот. Оптимальный шаг колонн
зависит от высоты зданий: в более
низких зданиях шаг колонн может
быть принят меньшим, в высоких —
большим. В зданиях высотой 20—40
этажей шаг колонн рекомендуется при-
нимать равным 4—6 м.
Очень важно, чтобы сетка колонн
в плане подчинялась определенному
модулю и образовывала стандартные
ячейки.
147
Расстояние между ригелями по вы-
соте здания определяется принятой
высотой помещений. Рекомендуется,
чтобы строительная высота между-
этажных перекрытий не превышала
350—600 мм.
Компоновка каркаса должна быть
увязана с применяемыми наружными
ограждающими конструкциями, их ти-
пами, размерами и способами креп-
ления. Желательно использование об-
легченных стеновых панелей и сбор-
ных междуэтажных перекрытий.
Ориентировочные затраты металла
по элементам каркаса высотного зда-
ния следующие: на колонны расхо-
дуется 40—60 % стали; на ригели и
балки перекрытий — 30—40 %, на все
прочие элементы, включая связи, лест-
ницы, фахверк, лифтовые шахты,—
10—15 % металла. Таким образом,
70—90 % металла тратится на колонны,
ригели и балки.
Колонны — наиболее нагруженные и
металлоемкие элементы, определяю-
щие затраты стали на весь каркас,
поэтому важно уметь правильно вы-
брать тип их поперечного сечения.
Наиболее употребительны следу-
ющие типы сечений колонн:
1) для зданий высотой 20—40 эта-
жей эффективны квадратные сечения,
сваренные из 4 листов (рис. XII.17,а).
Толщина листов в таких сечениях мо-
жет составлять 40—60 мм, а размеры
квадрата 400x400...550x550 мм.
В высотных зданиях с количест-
вом этажей свыше 60 могут приме-
няться колонны мощного квадратного
сечения. Толщина листов в нижней,
наиболее нагруженной части колонн
может доходить до 100 мм, а размеры
сечений превышать 700X700 мм;
2) во многих каркасах применяется
сварное двутавровое сечение с толсты-
ми поясами и стенками (рис. XII.17, б).
Недостаток — неравноустойчивость в
двух взаимно перпендикулярных на-
правлениях. Для зданий средней вы-
соты используются колонны из широ-
Рис. XI 1.17. Наиболее употребительные сече-
ния колонн высотных зданий:
а — сварное квадратное из 4 листов; б — сварное дву-
тавровое; в — широкополочные двутавры; г — сварное
из двух уголков или швеллеров; д — тоже, усиленное
центральным листом; е — сварное крестовое и кресто-
вое, усиленное листами; ж— круглое из труб; з — свар-
ное из пакета листов
кополочных двутавров (рис. XII.17, в),
полки которых могут быть усилены
приваркой листов;
3) для верхних этажей могут приме-
няться колонны, сваренные из уголков
или швеллеров (рис. XII.17, г). При
необходимости такое сечение может
быть усилено приваркой центрально-
го листа (рис. XII.17, б);
4) крестовое сечение и крестовое се-
чение, усиленное листами (рис. XII.17,
е), применяются реже, так как они
сложны в изготовлении и требуют
больших затрат металла;
5) используются и другие профи-
ли колонн, например трубчатые
(рис. XII.17, ж), а также сечения в
148
|Ййде Хакета сваренных вместе листов
и(рис. XJI.17, з) при больших осевых
усилиях.
Ригели каркасов представляют собой
прокатные или сварные балки двутав-
рового сечения. Балочные клетки обра-
зуются по принципам, изложенным в
гл. V.
При значительных пролетах и на-
грузках применяются развитые про-
катные балки с перфорированной стен-
кой, стальные балки, объединенные с
железобетонной плитой и работающие
с ней совместно, а также решетчатые
фермы.
Использование перфорированных ба-
лок или ферм удобно Для прокладки
коммуникаций, для чего в стенках
сплошных балок делают специальные
отверстия.
Для уменьшения строительной высо-
ты главные и вспомогательные балки
междуэтажных перекрытий высотных
зданий, как правило, располагаются
в одном уровне.
Связи каркасов представляют собой
фермы, поясами которых являются
колонны каркаса, а стойками — риге-
ли. Между колоннами и ригелями
устанавливаются раскосы из уголков.
В зданиях большой этажности решет-
ки внешних связевых каркасов и
центральных стволов могут выпол-
няться из двутавров.
XII.8. ОСНОВЫ РАСЧЕТА
СТАЛЬНЫХ КАРКАСОВ ВЫСОТНЫХ
ЗДАНИИ
Стальной каркас рассчитывается на
прочность и жесткость. При расчете
на прочность несущую способность кар-
каса проверяют на действие постоян-
ных вертикальных нагрузок от веса
конструкций, временных вертикальных
нагрузок на перекрытиях и горизон-
тальных сил от ветра в соответствии
со СНиП II-6-74 «Нагрузки и воздей-
ствия»,
Постоянные нагрузки состоят из веса
несущих стальных конструкций, стен
и перекрытий.
Временные вертикальные нагрузки,
складывающиеся из веса людей, обо-
рудования и мебели, расположенных
на перекрытиях, принимаются в виде
эквивалентных равномерно распреде-
ленных нагрузок. В жилых и общест-
венных зданиях в зависимости от на-
значения помещений эти нормативные
нагрузки составляют 1,5...4 кН/м2.
Ветровая нагрузка состоит из ста-
тической и динамической составля-
ющих. Статическая составляющая учи-
тывается всегда и представляет собой
скоростной напор ветра. Динамическая
составляющая, вызываемая пульсация-
ми скоростного напора, учитывается
при высоте зданий более 40 м.
Статическая составляющая ветровой
нагрузки, кН/м2:
9е = qolfkzC, (XII. 1)
где <70 — скоростной напор, кН/м2, на
высоте 10 м над поверхностью земли;
7/ = 1,2 — коэффициент надежности по
нагрузке для зданий. Для сверхвысот-
ных зданий = 1,3, если в нормах на
проектирование не установленно другое
значение; kz — коэффициент изменения
скоростного напора, зависящий от вы-
соты z над поверхностью земли и типа
местности; с — аэродинамический коэф-
фициент, принимаемый для высотных
зданий как коэффициент лобового со-
противления сх.
Динамическая составляющая ветро-
вой нагрузки определяется для каждой
собственной формы колебания здания.
Сооружение разбивается по высоте на
участки, к серединам которых прикла-
дываются инерционные силы, возни-
кающие от перемещения этих участков
при колебаниях. При определении вет-
ровой нагрузки на высокие здания
нормами разрешается учитывать толь-
ко первую форму собственных коле-
баний.
149
Суммарные усилия и перемещения
от ветровой нагрузки
Х = Хс+1/ S ОТ2,(ХП.2)
г /=1
где X — изгибающий (крутящий) мо-
мент, поперечная или продольная сила,
перемещение; Xе — то же, от стати-
ческой составляющей ветровой нагрузки;
X* — то же, от динамической составля-
ющей при колебаниях по f-й форме;
s — число учитываемых в расчете форм
колебаний.
При расчете рамных каркасов вся
пространственная система каркаса рас-
членяется на плоские многопролетные
многоэтажные рамы, которые являют-
ся многократно статически неопреде-
лимыми.
В связевых каркасах пространствен-
ная система также разделяется на
плоские. При этом связевые фермы
рассчитываются на нагрузки от ветра
как консольные фермы, заделанные в
фундаментах.
При свободном (шарнирном) крепле-
нии ригелей к колоннам на последние
передаются только вертикальные на-
грузки от перекрытий. Такие колонны
при полном загружении перекрытий
работают на центральное сжатие. Так
как временная нагрузка на перекры-
тиях может изменяться, то необходима
дополнительная проверка колонн на
сжатие с изгибом при односторонней
временной нагрузке (рис. XII.18, а).
Возникающие при этом моменты в
узлах примыкания ригелей определя-
ются по формуле
М =Fiei— F2e2, (ХП.З)
где Fi и F2— силы,, действующие по
обе стороны колонны от временных на-
грузок на перекрытия; е\ и е2 — экс-
центриситеты приложения этих нагру-
зок. Усилия в колонне от узловых мо-
ментов определяются, как для много-
пролетной балки с опорами в местах
привыкания ригелей (рис. XII. 18, б).
2
Л У М5
6
Рис. XII. 18. К расчету колонн на вертикаль-
ную нагрузку:
а — схема загружения; б — эпюры моментов; в—соп-
ряжение колонны с балками; 1 — постоянная и 2 —
временная нагрузки
Напряжения в колонне от действия
постоянных нагрузок, односторонних
временных нагрузок и узловых изги-
бающих моментов проверяются как
для внецентренно-сжатых стержней.
Балки перекрытий рассчитываются
как однопролетные, загруженные по-
стоянной и временной нагрузкой (см.
гл. V).
Расчет каркаса на жесткость сво-
дится к двум проверкам. Первая про-
150
^ерка состоит в определении отклоне-
ния верха каркаса от вертикали (го-
ризонтальный прогиб каркаса) под
влиянием горизонтальных сил от дей-
ствия ветра. Такой прогиб каркаса не
должен превышать 1/500 его высоты.
Вторая проверка заключается в оп-
ределении перекоса каркаса в отдель-
ных панелях и производится, если
жесткость стеновых ограждений не
учитывается при расчете каркаса.
В этом случае относительные горизон-
тальные отклонения каркаса в преде-
лах этажа только от статической сос-
тавляющей нормативной ветровой на-
грузки для различных материалов
ограждающих конструкций не должны
превышать значений, приведенных
ниже.
Материал стен и перего-
родок
Относительное
отклонение
Стены кирпичные и из 1/500
железобетонных панелей
Стены, облицованные естест- 1 / 700
венным камнем
Перегородки гипсобетонные 1/700
Витражи, керамические блоки 1 /1*000
XI 1.9. ПРОТИВОПОЖАРНАЯ ЗАЩИТА
СТАЛЬНЫХ КАРКАСОВ
Для надежной эксплуатации зданий
стальные каркасы необходимо защи-
щать от действия высоких темпера-
тур. Это может быть достигнуто
бетонированием, оштукатуриванием, об-
лицовкой огнестойкими плитами, на-
несением изоляционных покрытий, на-
полнением пустотелых конструкций
колонн водой.
Бетон и штукатурка наносятся слоя-
ми на элементы каркаса — колонны
и балки. Чаще всего используется це-
ментная штукатурка с вермикулитом
(минерал из группы гидрослюд) и ас-
бестом. Конструкции могут облицовы-
ваться плитами, изготовленными из
вермикулита, асбеста или гипса. Кон-
струкции, защищенные указанными
способами, имеют предел огнестойкос-
ти 30—60 мин. Заполнение внутренних
полостей пустотных колонн бетоном
также несколько увеличивает их огне-
стойкость. Колонны, вынесенные за
пределы здания, находятся в более бе-
зопасном положении, и поэтому обыч-
но противопожарная защита для них
не предусматривается.
Эффективно наполнение трубчатых
сечений колонн водой, которая при на-
греве циркулирует по колоннам как в
замкнутой системе (термосифонная
система). Вода может охлаждаться
или заменяться холодной из сети. Ох-
лаждаемые таким образом колонны
остаются пригодными к эксплуатации
при любой продолжительности пожа-
ра, пока в них есть вода.
Глава XIII. СТАЛЬНЫЕ КАРКАСЫ ЗДАНИЙ СРЕДНЕЙ И МАЛОЙ ЭТАЖНОСТИ
XIII.1. ПРЕДПОСЫЛКИ
ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СТАЛЬНЫХ КАРКАСОВ
И ОБЛАСТЬ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ
В практике отечественного строитель-
ства стальные каркасы широко приме-
няются в зданиях промышленного на-
значения, в жилых и общественных
высотных зданиях, отличающихся зна-
чительными размерами и большими
нагрузками.
В гражданских зданиях средней и
малой этажности из-за небольших
размеров конструкций и действующих
нагрузок обычно выгоднее вместо ста-
ли использовать железобетон. При
установлении целесообразности приме-
нения стальных конструкций в таких
сооружениях учитывают особые архи-
тектурно-планировочные требования,
эффективность конструкций по затра-
там материалов и стоимости с учетом
эксплуатационных расходов, возмож-
151
ность применения легких металличе-
ских конструкций полной заводской го-
товности; необходимость возведения
зданий в сложных рельефных условиях;
отсутствие вблизи строительства базы
стройиндустрии; особый характер си-
ловых воздействий.
В настоящее время стальные кон-
струкции с учетом указанных условий
применяются в следующих основных
видах сооружений средней и малой
этажности.
Здания общественного назначения —
уникальные театральные здания с
большими открытыми фойе без внут-
ренних колонн и несущих стен, сана-
торно-курортные здания, строящиеся в
стесненных рельефных условиях, граж-
данские здания специального назначе-
ния (торговые центры, музеи) со спе-
цифическими объемно-планировочными
решениями, мемориальные комплексы.
Производственные здания промыш-
ленного назначения — одноэтажные
отапливаемые здания пролетами 30 м
и более (а также оговоренные пп. 1.5
и 1.9 ТП 101-81), здания и сооружения
на объектах добычи и транспортирова-
ния нефти и газа, здания основных
производств с применением типовых
легких конструкций комплектной по-
ставки при пролетах 24 м и более.
Производственные сельскохозяйст-
венные здания (с влажностью воздуха
до 75%) при пролетах 18 и 21 м и
легких ограждающих конструкциях
покрытия.
В зарубежной практике стальные
конструкции широко применяются в
зданиях средней и малой этажности,
предназначенных для детских учрежде-
ний, жилья и т. п.
XIII.2. КАРКАСЫ ЖИЛЫХ
И ОБЩЕСТВЕННЫХ ЗДАНИИ
Стальные каркасы стоечной систе-
мы зданий средней и малой этажности
аналогичны каркасам высотных зданий,
МИМИ
1111111111»
г
6
Рис. XII 1.1. Виды опирания междуэтажных
перекрытий в каркасах со свободными от колонн
первыми этажами:
а — при помощи промежуточных колонн; б — подвеска
этажей к балочным конструкциям, расположенным
вверху здания; в — расположения балочных конструк-
ций в средней по высоте части здания; г —опирание
на консольные балки; 1 — колонны; 2 — подвески; 3 —
консольные балки
основы проектирования которых изло-
жены в гл. XII.
Каркасы зданий со свободными от
наружных или промежуточных колонн
первыми этажами применяются при
необходимости размещения тротуаров,
специальных проездов для транспорта,
устройства помещений без внутренних
колонн. Архитектурные условия заст-
ройки часто требуют расположения
корпуса здания выше уровня земли на
расстоянии одного — полутора этажей.
Так как вертикальные нагрузки на
грунт в таких каркасах передаются
при помощи минимального количества
мощных главных колонн, расположен-
ных либо вблизи центра здания, либо
по его краям, то все промежуточные
колонны, поддерживающие междуэтаж-
ные перекрытия, должны опираться на
балки или фермы, расположенные на
уровне второго этажа между основными
152
Угёсущими колоннами (рис. XIII. 1, а),
шли быть подвешенными при помощи
^тросов, круглой или полосовой стали к
^балочным конструкциям, установлен-
1ным наверху здания (рис. XIII. 1,6).
^Возможны решения каркасов с распо-
ложением балочных конструкций в
средней по высоте части здания (рис.
XIII.1, в). В этом случае нижележа-
щие этажи подвешиваются к балочным
' конструкциям, а вышележащие при по-
мощи дополнительных колонн опира-
ются на них. Балочные конструкции
совмещаются со стенами здания и по
возможности располагаются в техни-
ческих этажах. Они могут быть сквоз-
ными или сплошными. При необходи-
мости перекрытия укладываются на
консольные балки, опорами которых
служат главные колонны (рис. XIII.
1,г). Однако такая система более де-
формативна,
Стальные каркасы мостового типа
применяются в густо застроенных ра-
йонах при необходимости сохранения
существующих строений и включения
их в общий архитектурный ансамбль.
Мостовые каркасы рациональны при
надстройке здания, когда опирание на
f него надстраиваемой части невозмож-
но, а также при необходимости про-
\ пуска под зданием широких дорог.
Здания мостового типа могут приме-
£ няться в условиях сложного рельефа
Е местности. Их каркасы состоят из
£ расставленных на значительном рас-
t стоянии башен-опор, в которых поме-
; щаются лестницы, вертикальный тран-
> спорт (лифты) и коммуникации, а
£ здание подвешивается между этими
| опорами или поддерживается мощны-
L ми фермами мостового типа, опираю-
^щимися на башни-пилоны. Фермы
смогут иметь высоту на один этаж или
^.на все здание.
Г В каркасах в виде отдельно стоящих
^мощных однапролетных рам между-
этажные перекрытия подвешиваются к
^ригелям рам. Рамы располагаются на
^сравнительно больших расстояниях
друг от друга. Широкого распростра-
нения такая система каркасов пока не
получила.
Стальные каркасы зданий из крупно-
блочных элементов состоят из от-
дельных комнат или объемных частей
квартир со всеми коммуникациями.
Каркас такого здания должен пред-
ставлять собой стальной остов, на ко-
тором монтируются готовые крупные
блоки.
XIII.3 НЕКОТОРЫЕ ПРИМЕРЫ
РЕШЕНИЙ ЗДАНИЙ
ИЗ ЗАРУБЕЖНОЙ ПРАКТИКИ
1960—70-х гг.
Здания средней этажности. В качест-
ве примера рамной системы можно
привести стальной каркас 10-этажного
здания библиотеки в Париже (рис.
XIII.2). Размеры здания в плане 47,81 X
X 24,05 м, высота 34,83 м. В колоннах
использованы широкополочные двутав-
ры. По длинным сторонам фасада ко-
лонны вынесены за пределы здания, что
создает впечатление четкого членения
по вертикали и зрительно увеличивает
высоту здания.
Интересным сооружением является
административное здание, построенное
во второй половине 60-х гг. в Пуатье
(Франция). Это здание, поднятое над
трехэтажной стилобатной частью, опи-
рается на стальные консольные балки
коробчатого профиля сечением 2000 X
900 мм, покоящиеся на железобетон-
ных колоннах, и как бы висит над
S7777777777/77/77777 777777777777
Рис.XII 1.2 Рамный каркас здания библиотеки
153
Рис. XII I. 3. Административное здание в
Пуатье (Франция):
а _ продольный разрез; б — аксонометрия каркаса;
/ — жесткий ствол; 2 — ригели; 3 — колонны; 4
опорные стальные консольные балки; 5 — железо*
бетонные колонны
стилобатом (рис. XIII.3). Каркас зда-
ния представляет собой стальную шар-
нирную стержневую систему с наруж-
ными колоннами, вынесенными за пре-
делы стен.
Примером невысокого здания с под-
вешенными наружными стенами может
Рис. XIII.4. Здание с подвешенными наруж-
ными стенами в Сен-Дени (Франция);
1 — консольная ферма; 2 — подвески; 3 — балки между-
этажных перекрытий; 4 — железобетонное ядро
служить восьмиэтажный администра-
тивный корпус предприятия в Сен-Дени
(Франция) с размерами в плане 28,8Х
Х28,8 м (рис. XIII.4). Семь этажей
подвешены через консольные фермы
к железобетонному ядру при помощи
парных подвесок — тяжей диаметром
по 45 мм, вынесенных за наружные
стены здания.
Своеобразны решения зданий мосто-
вого типа. В Италии около Монтепуль-
чано было построено двухэтажное зда-
ние ресторана мостового типа над
автострадой. Здание в плане имеет
размеры 79,5X15,м и поднято над
автострадой на 5,5 м. Два этажа это-
го здания удерживаются двумя Т-об-
разными стальными рамами, перекры-
вающими проезжую часть автострады.
Высота ригелей переменная от 3800 мм
в месте соединения со стальной опорой
до 1700 мм на концах консолей. Оба
этажа подвешены к поперечным бал-
кам, расположенным с шагом 4 м в
верхней части ригелей рам. Затраты
металла на это сооружение составили
92,9 кг/м2 общей площади здания, что
в 2—3 раза выше, чем в зданиях с тра-
диционными системами стальных кар-
касов.
Оригинальное решение здания мос-
тового типа было предложено при
строительстве Федерального резервно-
го банка в Миннеаполисе (США).
12-этажное здание подвешено к двум
несущим фермам пролетом 84 м и вы-;
сотой 8,5 м, опирающимся на 4 мощ-
ные колонны и усиленным параболиче-
ским поясом (рис. XIII.5,а). Преду-
смотрено, что в случае дальнейшей над-
стройки дополнительные этажи будут,
удерживаться аркой, которая за счет;
распора позволит уменьшить горизон-1
тальные нагрузки на фермы, возни-}
кающие от параболического пояса^
(рис. XII1.5, б).
В Праге при надстройке здания Ha?i
ционального собрания несущие конст*
рукции дополнительных двух этажеЯ
были выполнены в виде безраскосныЯ
154
Рис. XIII.6. Каркас
отеля «Радиссон» в
Миннеаполисе:
1 — поперечные фермы;
2 — коридоры и проемы
RRm+НШННИ
_______________ I
I 1
Г ~ I
I I
г
I I
о
Рис. XII 1.5. Здания мостового типа:
. а — в Миннеаполисе (США); б — то же, в случае над*
стройки; в — надстройка здания Национального собра-
ния в Праге
мостовых ферм системы Виренделя,
опирающихся на отдельно стоящие ко-
лонны. Фермы имеют высоту на два
этажа (рис. XIII.5, в)у
В отеле «Радиссон» в Миннеаполисе
часть здания, расположенная между
двумя башнями, имеет колонны только
в плоскости наружных стен, и все пе-
рекрытия удерживаются поперечными
стальными фермами пролетом 16,25 м,
высотой на один этаж, расположенны-
ми во внутренних перегородках и опи-
рающимися на эти колонны (рис.
ХШ.6). В фермах некоторые раскосы
решетки отсутствуют для устройства
' коридоров и проходов.
В Иранском павильоне городского
университета в Париже здание в двух
уровнях подвешено через продольные
коробчатые стальные балки к мощным
рамам, поставленным на значитель-
ном расстоянии друг от друга и объем-
.лющим здание (рис. XIII.7).
Малоэтажные здания. В таких стра-
J нах, как ГДР, США, Франция, ФРГ,
.металлические конструкции довольно
J Широко используются и в малоэтажном
^строительстве: здания детских садов
|'и яслей, разнообразные здания много-
функционального целевого назначе-
ния — конторы, учреждения, общежи-
I ч
I 1
I I
L I
Г I
I 16250 I
тия, торговые предприятия, склады,
одно-, двухэтажные жилые дома.
Интерес к применению металличе-
ских конструкций в малоэтажном граж-
данском строительстве объясняется
многими причинами, и прежде всего
возможностью серийного выпуска лег-
ких полносборных зданий, включая
наружные стеновые панели, внутрен-
ние перегородки, плиты покрытий и
междуэтажных перекрытий, двери, окна
и ворота. Доставка таких конструкций
к месту строительства и монтаж зна-
чительно проще и дешевле, чем кон-
струкций из других материалов.
Так, например, в ГДР выпускаются
2-, 3- и 5-этажные здания многофунк-
ционального назначения, в которых
могут быть размещены детские ясли,
детские сады, дома отдыха, общежи-
тия, конторы и т. д. Несущие конструк-
ции зданий представляют собой лег-
кий стальной рамно-связевой каркас,
ограждающие — легкие металлические
элементы.
155
Рис. XIII.7. Иранский павильон городского
университета в Париже:
/ — несущие рамы
Рис. XIII.8. Каркас
двухэтажного здания
детского городка в
Мюльгейме (ФРГ):
1 — ядро жесткости
В качестве примеров малых зданий
с металлическими каркасами можно
привести двухэтажные корпуса с раз-
мерами в плане 12,6X12,6 м, построен-
ные в Мюльгейме (ФРГ) для детского
городка. Стальной каркас этих зданий
размещен вокруг центрального ядра
жесткости (рис. XIII.8).
XI 11.4. ЗРЕЛИЩНЫЕ ЗДАНИЯ
И ОБЩЕСТВЕННЫЕ СООРУЖЕНИЯ
В 60—70-х гг. в нашей стране сталь-
ные конструкции начинают применять-
ся при строительстве театров, дворцов'
культуры, музеев и мемориальных
комплексов.
Крупным сооружением общественно-
го назначения будет строящееся здание
Театра оперы и балета в Харькове.
Размеры его в плане составляют
126x80 м (рис. XIII.9). Несущие
конструкции театра решены в виде
рамного каркаса с кирпичным запол-
нением, с использованием стальных
конструкций для всех тяжело нагру-
женных колонн, части междуэтажных
перекрытий и для всех несущих эле-
ментов покрытий. Несущие конструк-
ции перекрытий зала и помещений
фойе выполнены в виде системы пере-
крестных балок. Пролеты главных
сплошностенчатых стропильных балок,
расположенных поперек здания, равны
48 м, вылет консолей 15,6 м и вы-
сота 3,88 м. Балки установлены с ша-
гом 12 м и опираются на подстропиль-
ные балки, также имеющие высоту
3,88 м и пролеты 15 и 24 м. Для
уменьшения строительной высоты зда-
ния стропильные и подстропильные
балки расположены в одном уровне.
К стропильным балкам подвешены
перекрытия двух ярусов фойе на от-
метках 6,86 и 11,06 м и главные лест-
ницы, что освобождает фойе от колонн
и стен. Подвески выполнены из спа-
ренных полос и из уголков.
Балочная система покрытия здания
с подвешенными к ней перекрытиями
156
Рис. XI 11.9. Поперечный разрез оперного театра в Харькове:
а — фойе; б — зрительный зал; 1—стальные пилоны; 2—балки перекрытий фойе; 3 — подвески из спаренных
полос и уголков; 4 — подстропильные балки; 5 — главные стропильные балки; 6 — балки кровли и подвесного
потолка; 7 — балки зрительного зала
фойе и главной лестницей Опирается
на 6 колонн-пилонов и передает на
них усилия, достигающие 50 000 кН.
Пилоны в нижней части железобетон-
ные, а в верхней — стальные коробча-
тые с поперечным сечением 1,2Х
Х3,2 м, сваренные из листов толщи-
ной 40 мм. Пилоны защемлены в фун-
даментах, а балочная клетка перекры-
тия здания опирается на них шарнир-
но. Наиболее нагруженные элементы
выполнены из высокопрочной стали
16Г2АФ, менее нагруженные — из низ-
колегированной стали 09Г2 и 10Г2С1,
для всех прочих элементов использо-
вана сталь ВСтЗ. Общие затраты ме-
талла на стальной каркас здания
театра составляют около 4700 т.
К числу специальных сооружений
общественного назначения относятся
некоторые здания музеев и мемори-
альных комплексов, в которых ис-
пользование металлических конструк-
ций объясняется необходимостью ос-
вобождений внутренних помещений
от колонн, возведения междуэтажных
перекрытий значительных пролетов,
создания крупных фигур и скульптур-
ных групп.
В нашей стране металлические кон-
струкции впервые были применены для
скульптурной группы «Рабочий и кол-
хозница» высотой 24,5 м, установлен-
ной перед входом на Выставку дости-
жений народного хозяйства СССР в
Москве.
К уникальным памятникам с мону-
ментом Родины-матери можно отнести
памятник-ансамбль на Мамаевом кур-
гане и мемориальный комплекс «Ук-
раинский государственный музей ис-
тории Великой Отечественной войны
1941—1945 годов».
Центральная часть здания музея в
Киеве представляет собой усеченный
конус и запроектирована в виде сталь-
ного каркаса, образованного девятью
расположенными по окружности колон-
нами, которые наклонены к центру
здания и соединены между собой ре-
шетчатыми ригелями и кольцевыми
диафрагмами.
Здание музея венчает монумент Ро-
дины-матери (высота фигуры 62 м).
Создание этого уникального соору-
жения (рис. XIII.10) потребовало ре-
шения целого комплекса сложных ин-
женерных и исследовательских задач,
157
А*— Рис. XTII. 10. Стальной кар-
ft кас музея Великой Отечест-
I венной войны в Киеве
таких как выявление аэродинамической
устойчивости сооружения, исследова-
ние работы цельносварной тонкостен-
ной стальной оболочки монумента сов-
местно с металлическим несущим кар-
касом, определение технологии изготов-
ления оболочки и монтажа и др. Ос-
новной несущей системой является ста-
льной каркас (ствол), представляющий
собой вертикальную пространственную
четырехгранную ферму с размерами по-
перечника 4,8X4,8 м с поясами из труб,
решеткой и диафрагмами из прокат-
ных профилей. Ствол жестко заделан
в каркасе здания музея. К стволу
крепится тонколистовая оболочка
фигуры, выполненная из нержавеющей
хромоникелевой стали и подкреплен-
ная системой горизонтальных и вер-
Рис. XIII.11. Поперечный разрез здания Киев-
ского филиала Центрального музея В. И. Ле-
нина:
1 — стальные решетчатые пилоны; 2 — ортогональная
стержневая система перекрытия; 3 — балки перекрытий
тикальных ребер жесткости. Общий
расход металла на сооружение музея
составил 1848 т.
Интересно решение стальных кон-
струкций Киевского филиала Цент-
рального музея В. И. Ленина (рис.
XIII.11). Музей представляет собой
квадратное в плане здание размерами
56,4X56,4 м, переходящее выше отмет-
ки 24,8 в цилиндрическую часть диа-
метром 36,2 м. Общая высота здания
составляет 32,97 м. Для опирания пе-
рекрытий внутри здания установлены
четыре стальных пространственных
пилона, к которым крепятся балки пе-
рекрытий пролетом 25,6 м.
Перекрытие центральной цилиндри-
ческой части здания на отметке 32,97 м
имеет вид стержневой системы, об-
разованной решетчатыми фермами со
связями, поставленными с шагом
4,21 ми опирающимися на верхнее
распределительное стальное кольцо,
укрепленное на стойках. Общие затра-
158
ты металла на весь комплекс музея
составили 2107,6 т, или 127,1 кг на
1 м2 суммарной площади всех поме-
щений.
XIII.5. КАРКАСЫ
ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ЗДАНИЙ
В производственных зданиях сталь-
ные конструкции применяются в несу-
щих каркасах и в ограждении стен и
покрытий. Каркасы производственных
зданий представляют собой комплекс
конструкции, предназначенных для
восприятия постоянных нагрузок—
веса ограждающих и несущих конст-
рукций, снеговой и ветровой нагрузок,
а также нагрузок от технологического
оборудования.
Основными конструктивными эле-
ментами каркаса”являются: колонны,
ригели перекрытий, стропильные кон-
струкции покрытий (фермы или бал-
ки), связи и подкрановые конструкции.
Для естественного освещения и вен-
тиляции по покрытиям зданий могут
устраиваться светоаэрационные или
аэрационные фонари.
Применение стали в каркасах регла-
ментируется «Техническими правилами
по экономному расходованию основных
строительных материалов» (ТП 101-
81). Устройство цельностальных кар-
касов оправдано в первую очередь для
тяжелых цехов, имеющих значитель-
ные пролеты и высоту и воспринимаю-
щих тяжелые технологические нагруз-
ки (кислородно-конвертерные и марте-
новские цеха сталеплавильных произ-
водств, цеха заводов тяжелого маши-
ностроения и др.). Для зданий легкого
типа целесообразны смешанные кар-
касы, в которых колонны выполняют-
ся железобетонными, а покрытие —
из стали. В зависимости от схемы
компоновки каркасы могут быть одно-
этажными й многоэтажными, одно-
пролётными и многопрблетными.~ТТаи-
более распространены стальные кар-
касы одноэтажных производственных
зданий. Многоэтажные каркасы встре-
Рис. XIII. 12. Системы каркасов одноэтажных
промышленных зданий:
а — плоскостная; б — пространственная; 1 — попереч-
ная рама; 2 —связи; 3 — подкрановые конструкции
чаются реже — в производственных
зданиях с вертикальным технологиче-
ским процессом и в промышленных
этажерках для химической и нефте-
химической промышленности.
Каркасы одноэтажных производст-
венных зданий можно разделить
на плоскостные и пространственные.
В каркасахплоскостной системы (рис.
XIII.12, а) основными несущими конст-
рукциями являются плоские попереч-
ные рамы /, которые устанавливаются
с определенным шагом вдоль здания.
Рамы соединяются между собой в
неизменяемую систему продольными
связями 2. Поперечные рамы воспри-
нимают только те нагрузки, которые
159
действуют в их плоскости. Считается,
что каждая поперечная рама работает
независимо от соседних с ней рам.
Поэтому при действии в поперечном
направлении сосредоточенных нагру-
зок смещается только рассчитываемая
рама. Нагрузки, действующие вдоль
здания, воспринимаются продольны-
ми конструкциями, в состав которых
включаются продольные связи, ко-
лонны, подкрановые балки. В кар-
касах пространственной системы (рис.
XIII.12, б) при действий' любых"нагру-
зок в работу включаются все элемен-
ты и расчетный блок смещается це-
ликом. Примером такой системы явля-
ются каркасы со структурными покры-
тиями (см. § XIII.6), образующими
жесткие горизонтальные диски. Нужно
заметить, что в каркасах плоскостной
системы также имеются элементы, ко-
торые образуют жесткие горизонталь-
ные диски (например, кровельный на-
стил или горизонтальные связи) и
перераспределяют сосредоточенные го-
ризонтальные нагрузки между несколь-
кими плоскими рамами. Учет действи-
тельной пространственной работы плос-
костных систем позволяет снизить их
металлоемкость.
Наиболее распространенным типом
каркасов одноэтажных зданий явля-
ются каркасы плоскостной системы,
обладающие большой поперечной жест-
костью и приспособленные для осна-
щения тяжелым крановым оборудова-
нием. Крановые нагрузки — основной
вид технологических нагрузок для од-
ноэтажных зданий. Производственные
здания оборудуются мостовыми кра-
нами, опирающимися на колонны, или
подвесными кранами, которые крепят-
ся к покрытию. При работе крана
создаются вертикальные воздействия
от веса крана и поднимаемого груза,
а также горизонтальные воздействия
от^^>можения крана и крановой те-
уПНа конструкцию каркаса влияет не
Только грузоподъемность, но и режим
СТ3 г
160
работы кранов, зависящий от интен-
сивности использования крана во вре-
мени (количество часов работы в
сутки или дней работы в году, число
включений в час) и от отношения
массы поднимаемого груза к предель-
ной грузоподъемности крана. Прави-
лами эксплуатации установлено четыре
режима работы кранов с машинным
приводом: легкий (Л), средний (С),
тяжелый (Т) и весьма тяжелый (ВТ).
Краны легкого режима имеют боль-
шие перерывы в работе и предназна-
чены для ремонта и монтажа техноло-
гического оборудования. Краны весь-
ма тяжелого режима отличаются ин-
тенсивной круглосуточной работой с
грузами предельной величины.
XIII.6. ЛЕГКИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ
КОНСТРУКЦИИ ЗДАНИИ
Легкие металлические конструкции
одноэтажных и малоэтажных зданий
промышленного и гражданского назна-
чения начали широко внедряться как
средство повышения индустриализации
строительства. 29 мая 1972 г. было
принято постановление ЦК КПСС и
Совета Министров СССР «Об органи-
зации производства и комплектной по-
ставки легких металлических конструк-
ций промышленных зданий», в кото-
ром говорится о необходимости созда-
ния единого процесса проектирования,
изготовления и монтажа несущих и
ограждающих конструкций промыш-
ленных зданий, обеспечивающего вы-
сокий технический уровень строи-
тельства.
К легким металлическим конструк-
циям относят несущие и огражда-
ющие конструкции, выполненные пре-
имущественно из эффективных профи-
лей (трубчатых, тавровых, тонкостен-
ных, гнутых, перфорированных), вы-
сокопрочных сталей и алюминиевых
сплавов, легких теплоизоляционных
материалов. Суммарная масса таких
конструкций па 1 м2 ограждающей по-
верхности не превышает 100—150 кг.
Сокращение затрат стали не приво-
дит к пропорциональному уменьшению
стоимости, так как сопряжено с повыше-
нием трудоемкости и стоимости изго-
товления на 1 т конструкций. Гнутые
и перфорированные профили дороже
прокатных и сплошностенчатых, вы-
сокопрочные стали и эффективные
утеплители дороже обычных. Чтобы
легкие конструкции могли конкуриро-
вать с обычными, они должны отли-
чаться высокой индустриальностью.
Поэтому основными предпосылками
разработки легких металлических
конструкций являются: серийное из-
готовление на автоматизированных
линиях, максимальная заводская го-
товность, монтаж крупными блоками.
Наиболее перспективна разработка
легких металлических несущих и
ограждающих конструкций, поставляе-
мых на строительство в виде полных
комплектов и сборных зданий (моду-
лей), укомплектованных инженерным
оборудованием.
В настоящее время отечественные
заводы выпускают одноэтажные про-
мышленные здания различных типов
из легких металлоконструкций ком-
плектной поставки: каркасы плоскост-
ной системы из рамной конструкции;
каркасы пространственной системы с
покрытиями из структурных конструк-
ций и др. Вместе с каркасами ком-
плектно поставляются ограждающие
конструкции: трехслойные стеновые па-
нели со стальными и алюминиевыми
обшивками и утеплителями из пено-
полиуретана или минераловатных плит,
стальные и алюминиевые оконные и
дверные блоки, алюминиевые витражи
и витрины, стальные ворота, зенитные
фонари. По заявкам заказчиков зда-
ния комплектуются конструкциями
интерьеров: стальными и алюминие-
выми каркасами перегородок, алюми-
ниевыми подвесными потолками, сталь-
ными лестничными маршами и пло-
щадками.
Ж Ж ж к # go* Ж ж |£
Ж К Ж Ф Ф Я £ £ £
ОДОДОДОДОДОДЙ8
ОДОДОД&ЯОДОД1Ы
жяоджж&кккодовд
одяжододододЕЗ
жод#ододод«>од|||.
ОДОДОДЯОДОДВДЯ
2^000(8000)
Рис. XII 1.13. Некоторые типы легких конструк-
ций зданий:
а — плоские рамы коробчатого сечения; б — здание
с пространственной решетчатой структурой из труб;
в __ здание со структурой из прокатных профилей
Легкие металлические конструкции
комплектной поставки могут приме-
няться более чем в 50 % всех зданий
производственного назначения (пред-
приятий приборостроения, легкой и пи-
щевой промышленности, технического
обслуживания автотранспорта), па-
вильонах для демонстрации техники,
зданиях, сооружаемых в труднодоступ-
ных районах.
На рис. XIII.13 показаны некоторые
типы легких каркасов зданий.
Рамные конструкции коробчатого
сечения рассчитаны на применение в
одноэтажных однопролетных зданиях
пролетами 18 и 24 м кранов грузо-
подъемностью до 8 т. Система каркаса
плоскостная прогонная с шагом рам
6 м (рис. XIII. 13, а). Замкнутые короб-
чатые сечения образуются двумя швел-
лерами, соединенными гофрированны-
ми листами толщиной 4 мм. Фланце-
вые соединения позволяют быстро мон-
тировать каркас.
Пространственные решетчатые кон-
струкции из труб (рис, XIII. 13, б)
6 5-487
161
разработаны для одно- и многопролет-
ных одноэтажных зданий с подвесными
кранами грузоподъемностью до 2 т.
Выпускаются в виде пространственных
секций 30x30 м с сеткой колонн 18Х
Х18 м и секций 36x36 м с сеткой
колонн 24X24 м. Узлы соединения
трубчатых стержней показаны на
рис. Х.18, г.
Структурные конструкции из про-
катных профилей (рис. XIII. 13, в) пред-
назначены для одно- и многопролетных
зданий пролетами 18 и 24 м, оборудо-
ванных подвесными кранами грузо-
подъемностью 3,2 т и мостовыми элек-
трическими кранами грузоподъемно-
стью до, 30 т. Стержневые плиты
покрытия выпускаются в виде блоков
18X12 и 24X12 м. Некоторые узлы
показаны на рис. Х.18, з.
Наряду со зданиями комплектной
поставки к легким металлическим кон-
струкциям относят также здания с
применением легких кровель из асбо-
цементных и стальных профилирован-
ных листов с эффективным утеплите-
лем и панельными стенами из керам-
зитобетонных, асбоцементных и других
материалов. В качестве несущих эле-
ментов каркаса используются стальные
конструкции в традиционном и частич-
но легком исполнении. Описание не-
которых видов покрытий для легких
зданий приведено в § VI.7. Более под-
робно с легкими конструкциями про-
мышленных зданий можно ознако-
миться в книге [15].
Глава XIV. ГОРОДСКИЕ И АВТОДОРОЖНЫЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МОСТЫ
XIV.1. НАЗНАЧЕНИЕ
И КЛАССИФИКАЦИЯ МОСТОВ
Мосты служат для пропуска транс-
порта над препятствиями (водными
преградами, ущельями, дорогами) и
состоят из пролетных строений, опор
и фундаментов.
Пролетное строение воспри-
нимает действующие на мост верти-
кальные и горизонтальные нагрузки
и передает их на опоры. Основными
элементами пролетного строения явля-
ются главные фермы (балки), соеди-
ненные продольными и поперечными
связями. По главным фермам устраи-
вается проезжая часть с тротуарами,
которая включает балочную клетку,
состоящую из продольных и попереч-
ных балок, и ездовое полотно, являю-
щееся продолжением дороги. Ездовое
полотно состоит из несущей части —
настила и покрытия — одежды. В ме-
таллических мостах настилом служит
сборная (монолитная) железобетонная
плита или подкрепленный ребрами
стальной лист.
Вертикальные и горизонтальные
силы, возникающие от действия нагру-
162
зок на пролетное строение, с помощью
неподвижных или подвижных опорных
частей передаются на опоры. Опоры
передают нагрузку на фунда-
менты.
Некоторые из названных элементов
моста могут отсутствовать, например
балочная клетка и часть продольных
связей, функции которых может сов-
мещать настил проезжей части.
В составе связей над опорами обыч-
но находятся домкратные балки или
фермы, которые служат для вертикаль-
ной выверки пролетного строения на
монтаже и при ремонтах или замене
опорных частей.
Конструктивные формы мостов очень
разнообразны и зависят от предъяв-
ляемых к сооружению функциональ-
ных, экономических и эстетических
требований. Существуют различные
признаки, по которым ведется клас-
сификация мостов.
По назначению — в зависимости
от рода обращающихся нагрузок —
различают следующие мосты: железно-
дорожные, служащие для пропуска
железнодорожного транспорта; авто-
ж
Рис. XIV. 1. Системы мостов:
а — балочная разрезная; б — балочная неразрезная; в —балочная консольная; г — рамная; д— арочная; в —
вантовая; ж — висячая; з — комбинированная
. дорожные — для пропуска транспорт-
ных средств на автомобильных дорогах;
пешеходные, предназначенные только
для пешеходного движения; город-
ские — под автомобильное, трамвайное
и пешеходное движение; совмещен-
ные — для пропуска автомобильного
рИ железнодорожного транспорта. Раз-
новидностью этих мостов могут быть:
i путепроводы — для пропуска дорог,
^.пересекающихся в разных уровнях;
Эстакады — для пропуска в разных
/Уровнях дорог одного направления
Хйли в местах сложных уличных развя-
виадуки, располагаемые над глу-
бокими ущельями; трансбордеры (мо-
бтовые паромы).
По статической схеме про-
летного строения различают мосты
балочной, арочной, рамной, вантовой,
висячей и комбинированной системы.
Основным признаком балочной систе-
мы является возникновение от верти-
кальных нагрузок только вертикаль-
ных опорных реакций. Пролетные
строения балочных мостов подразде-
ляются на разрезные (рис. XIV.1, а),
неразрезные (рис. XIV. 1, б) и консоль-
ные (рис. XIV.1, в). Главные балки
могут выполняться сплошными или
решетчатыми в виде ферм.
Арочную систему отличает характер-
ное криволинейное очертание жестких
несущих конструкций пролетного строе-
163
ния (рис. XIV. 1, д), следствием кото-
рого является распорность — возникно-
вение от вертикальных нагрузок гори-
зонтальных опорных реакций.
В рамной системе (рис. XIV. 1, г)
узлы сопряжения пролетного строения
с опорами выполняются жесткими,
вследствие чего происходит разгрузка
пролетного строения за счет изгиба
опор,. Для рамных мостов, как и для
арочных, характерен распор.
В вантовых системах (рис. XIV. 1, е)
основная несущая конструкция — фер-
ма, образованная неразрезной балкой,
подвешенной к пилонам прямолиней-
ными гибкими элементами из стальных
канатов, арматурных стержней, а
иногда и из прокатных профилей.
Основным элементом висячей систе-
мы (рис. XIV.1, ж) является гибкая
нить (кабель), к которой подвешивает-
ся конструкция проезжей части.
В мостах комбинированной системы
(рис. XIV.1, з) сочетаются признаки
перечисленных систем.
В городских мостах и в особенности
в путепроводах наиболее распростра-
нена балочно-разрезная система, отли-
чающаяся статически определимой схе-
мой, низкой чувствительностью к осад-
кам опор, простотой изготовления и
монтажа. Такие недостатки, как повы-
шенный расход материала и большая
строительная высота, компенсируются
высокой индустриальностью изготовле-
ния и хорошими эксплуатационными
свойствами балочно-разрезных мостов.
Применение балочных мостов огра-
ничивается обычно пролетами 100—
120 м, арочных и вантовых — 300—
500 м.
Мосты общей длиной меньше 25 м
принято называть малыми, а при длине
от 25 до 100 м — средними.
По материалу пролетных
строений различают железобетон-
ные, металлические, деревянные, камен-
ные мосты. Возможна комбинация
этих материалов в пролетном строе-
нии.
По расположению проез-
жей части по отношению к пролет-
ному строению различают мосты с
ездой поверху, понизу (рис. XIV. 1, а)
и посередине (в арочных мостах).
XIV.2. РАЗБИВКА МОСТА
НА ПРОЛЕТЫ. ПОДМОСТОВЫЕ
ГАБАРИТЫ
Мостовой переход включает в себя
мост, земляные насыпи подходов к
мосту, а при пересечении водных пре-
пятствий различного рода регуляцион-
ные и укрепительные сооружения для
обеспечения нормальных условий про-
текания водного потока и предохране-
ния элементов мостового перехода от
размыва.
При проектировании схемы моста
исходят из экономических соображе-
ний и требований пропуска транспорта
или ледохода под мостами.
Теоретически наиболее выгодная
разбивка на пролеты может быть по-
лучена аналитическим путем из усло-
вия минимума стоимости сооружения.
Считается, что для мостов балочного
типа это условие выполняется при
равенстве стоимости пролетных строе-
ний и опор.
В мостах через судоходные реки
количество и размер судоходных про-
летов определяются подмостовыми
габаритами, которые устанавливаются
нормами в зависимости от класса вод-
ной магистрали.
Подмостовым габаритом называют
предельное очертание пространства
под мостом, которое должно оставаться
свободным для беспрепятственного
прохода транспорта.
При устройстве путепроводов через
железнодорожные пути необходимо,
чтобы под ними вписывался железно-
дорожный габарит приближения строе-
ний (рис. XIV.2, а). Высота железно-
дорожного габарита h принимается в
пределах 6250—6900 мм. Границы
габарита в горизонтальном направле-
164
a
s в
fe. XIV.2. Подмостовые габариты:
2* Железнодорожный габарит приближения строений; б — габариты приближения автомобильных дорог I—III,
i*n, IV-n категорий при отсутствии ограждений; а —то же, для дорог IV и V категорий
щи от оси пути до опор путепроводов,
сходящихся с внешней стороны путей,
jfe-3100 мм, а до опор между путями
1^2450 мм.
'Габариты приближения конструкций
)Йпутепроводами через автомобиль-
ЙЙДороги при отсутствии ограждений
Пересекаемых дорогах должны со-
ствовать приведенным на рис.
.2, б, в.
цт расположении опор на раэдели-
йк>й полосе расстояние от кромки
83жей части до грани опоры долж-
^ЯНТь не меньше: на дорогах I кате-
j^- 2,0 м, на городских дорогах
ах—1,5 м.
хтояние d (рис. XIV.2, б) от
дкаем л яного полотна 1 пересекае-
доддеи до. передней" грани необ-
пныхустоев Или до конуса насыпи
ЙяХЖ<:ыпных устоях должно быть
кк.йенее величин, указанных в табл,
Таблица XIV.1
Еп ' . Наименьшее расстояние 4
от бровки земляного полотна
пересекаемых дорог, м,
при проектировании
путепроводов
с числом полос движения
категория
усекаемой
дороги
5 2 о
КВН
2
6
8
И, Ш-п
fee IV-n
I-c
2,0
1,0
4,0
2,0
5,0
3,0
3,0
1,5
Во всех случаях 0,5
6,0
4,0
X1V.3. ГАБАРИТЫ МООМ
Габарит моста назначается в зави-
симости от категории автомобильной
дороги или городской улицы.
Габариты автодорожных и городских
мостов обозначаются буквой Г и чи-
слом, соответствующим ширине в мет-
рах между внутренними гранями бор-
дюров или других ограждений, напри-
мер Г-8; Г-10; Г-11,5.
Схемы габаритов автодорожных и
городских мостов, предусмотренные
СНиП 2.05.03-84 «Мосты и трубы.
Нормы проектирования:», приведены на
рнс. XIV.3. Основные размеры к схе-
мам. даны в табл. XIV.2. На схемах
приняты следующие обозначения: П —
полосы безопасности (предохранитель-
ные полосы) по краям проезжей части;
п — общее в двух направлениях число
полос движения; Ь=3,5...3,75 м — ши-
рина одной полосы движения; С —
разделительная полоса шириной, рав-
ной расстоянию между кромками про-
езжей части разного направления, в
состав которой входят предохранитель-
ные полосы; ЗП=0,5 м — защитные
полосы; а — высота ограждений проез-
дов (высота бордюров на мостах
должна быть не менее 0,35 м), при-
нимаемая на улицах и дорогах горо-
дов не менее 5,0 м; h —высота габа-
рита проезжей части; Т — ширина
Рис. XIV.3. Габариты мостов;
а __ без разделительной полосы; б — с разделительной полосой без ограждений; в — с разделительной поло-
сой при наличии ограждений; г — городских
тротуаров; ftT — высота габарита тро-
туаров. .
В непредусмотренных случаях габа-
рит устанавливается следующим обра-
зом:
Г=П + п& + С+п6+П.
В городских мостах с трамвайными
путями габарит увеличивают на ши-
рину трамвайного полотна, равную
обычно 7,5 м.
На каждой стороне моста преду- J
сматриваются тротуары илй слу-'
жебные проходы, ограниченные с на-
ружной стороны перилами высотой не
менее 1,1 м. Тротуары примыкают к
проезжей части или отделяются от нее.
Ширину тротуаров назначают в за-
висимости от расчетной перспективной-
интенсивности движения пешеходов в
час пик. При этом среднюю пропуск-
ную способность 1 м ширины тротуара
Таблица XIV.2
Элемент поперечного профиля моста Категория дороги
I II ill 1V V
Габарит, м Ширина тротуара, м Ширина проезжей части, м Ширина полосы безопасности, м ЧИСЛО ПОЛОС ДВИ- жения Г-(13,25-ЬС+ 13,25) Г-(9,5 + С + 9,5) Г-11,5 1,5 7,5 2 2 Г-10 1,0 7,0 1,5 2 Г-8 1,0 6,0 1,0 2 ( 1 Г-6,5 : 1,0 1 4,5 « i i 1
2 (Г-15,25) 1,5 11,25x2 2 6 2(Г-11,5) 1.5 7,5x2 2 4
Примечание. В числителе указаны габариты мостов с разделительной полосой без
ограждений, в знаменателе — с разделительной полосой при наличии ограждений.
166
Еают 2000 чел. в час. Ширина
элосных тротуаров назначается
1 0,75 м. На мостах, располо-
г в городах, поселках и сель-
[селенных пунктах, ширина тро-
принимается не менее 1,5 м.
лосные тротуары, устраивае-
уровне верха бордюров, имеют
г 1,0 м.
ИНСТРУКТИВНЫЕ ФОРМЫ
ых мостов
: Металлические балочные мосты эко-
номически выгодны при пролетах от
40...60 до 200...270 м. Индустриальность
изготовления, упрощение транспорти-
ровки и монтажа благодаря неболь-
Щому весу делают иногда выгодным
рх применение вместо; железобетонных
фри пролетах 24 м и менее.
В автодорожных и городских мостах
Применяются преимущественно сплош-
ные главные балки с ездой поверху,
расчетные пролеты или Полные длины
Пролетных строений автодорожных и
Городских мостов на прямых участках
Йфог при вертикальных и перпендику-
лярных к оси моста опорах следует
назначать равными 3; 6; 9; 12; 15; 18;
В}; 24; 33; 42 м, а при больших разме-
нах кратными 21 м.
.Особенно эффективны пролетные
Строения, в которых железобетонная
плита ездового полотна включается в
совместную работу с металлическими
главнымй балками на вертикальную
нагрузку. Такое Совмещение функций
плиты уменьшает затраты стали на
15—20 % и приводит к снижению
строительной высоты пролетного строе-
ния до 1/20 пролета при разрезных
балках и до 1/25—1/50 пролета при
неразрезных балках.
Эти преимущества обусловили широ-
кое применение сталежелезобетонных
мостов при пролетах 40—130 м.
На рис. XIV.4, а приведены типы
пролетных строений сталежелезобетон-
ных автодорожных мостов.
В металлических мостах больших
пролетов применяются пролетные
строения с легким ездовым полотном
по стальной подкрепленной ребрами
плите (рис. XIV.4, б), которая одно-
временно выполняет функции верхнего
пояса главных балок. Такая плита
благодаря частому продольному и по-
перечному подкреплению обладает раз-
личной жесткостью на изгиб в двух
взаимно перпендикулярных направле-
ниях и называется ортотропной.
Так как значительную часть эк-
сплуатационной нагрузки на мосты со-
ставляет постоянная нагрузка от веса
пролетного строения, то для снижения
б
XIV.4. Сечения пролетных строений автодорожных мостов:
сталежелезобетонных; б —с ортотропной стальной плитой; 1 — железобетонная плита; г — главные балки;
поперечные связи; 4 — балка настила; 5 —поперечные ребра; 6 — продольные ребра *
167
расхода материала и строительной
высоты главных балок эффективно при-
менение лредварительного напряжения.
Оно может осуществляться в балочных
мостах тремя способами: натяжением
установленных в растянутых зонах се-
чения высокопрочных затяжек; смеще-
нием опор в неразрезных балках; бето-
нированием плит настила сталежёлезо-
бетонных пролетных строений под при-
грузом с последующим его снятием.
В разрезных (статически определи-
мых) балочных мостах регулирование
напряжений можно выполнять толь-
ко первым способом, а в статически
неопределимых неразрезных мостах —
тремя.
X1V.5. СТАЛИ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ
ДЛЯ МОСТОВ
Работа мостов при динамических
нагрузках в условиях непосредствен-
ных атмосферных воздействий создает
предпосылки к хрупкому разрушению
и развитию коррозии. Поэтому предъ-
являются повышенные требования к
хладостойкости, ударной вязкости, вы-
носливости й коррозионной стойкости
сталей.
В настоящее время ГОСТ 6713—75
для основных несущих конструкций
мостов рекомендованы три главные
марки стали: малоуглеродистая сталь
16Д (бывшая М16С) и низколегирован-
ные стали 15ХСНД и 10ХСНД разных
категорий хладостойкости. Для авто-
дорожных мостов применяются также
более дешевые низколегированные ста-
ли 14Г2АФД и 15Г2АФДпс. Для неот-
ветственных элементов в конструкциях
обычного (несеверного) исполнения до-
пускается применение сталей ВСтЗсп4,
ВСтЗспб по ГОСТ 380—71.
Марки стали, применяемые для мо-
стов, и их расчетные сопротивления
при растяжении приведены в табл.
XIV.3.
В опорных частях мостов применяют
литую сталь , марок 25Л, ЗОЛ, 35Л,
20ГЛ, 20ФЛ, Особо ответственные де-
168-
Таблица/XIV.3
Марка стали Вид проката у' ТоЛщина проката, мм -1. .. Расчетное 1 соп роти вл е- I ние Ry, МПа |
16Д Профильный и лис- 4...20 215
товой 21...40 205
41...60 195
15ХСНД Профильный и лис- 8...32 295
товой
Листовой 33...50 285
10ХСНД Профильный и лис- 8...15 350
товой
Листовой 16...32 350
Листовой 33...40 350
15Г2АФД Листовой 4...32 355 <
ПС
14Г2АФД Листовой 4...50 355
тали опорных частей, такие Как болты,
шарниры,, катки, изготавливают
кованой стали ВСт5сп2, ЗОГ, 35Г,J
40ХН2МА и др. |
Х1У.4. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ 1
КОМПОНОВКИ БАЛОЧНЫХ ПРОЛЕТНЫХ Я
СТРОЕНИЯ
Основной задачей, которая решается;
при компоновке схемы пролетного
строения при заданных ширине и дли-,
не моста (разбивке на пролеты), явля-;
ется выбор наиболее рационального"
количества главных балок и их разме-
щение по ширине поперечного сечения
моста. Для ее решения используется
вариантное проектирование.
Условия выбора наиболее выгодного
варианта: экономичность по затратам
стали, технологичность изготовления,
степень заводской готовности, удобство,
транспортирования и монтажа конст-:
рукций, уменьшение затрат на экс-;
плуатацию (окраска, ремонт). л
Можно выделить три схемы компов
новки: 1) с опиранием железобетонной
плиты только на главные балки (рие|
XIV.5, а); 2) с опиранием плиты иЙ
главные и поперечные балки наСтилш
(рис. XIV.5, б); 3) с опиранием плитИ
на главные балки, продольные балка
г
XIV.5. Схемы компоновки пролетных
ий:
Ж темная: б — нормальная; а — усложненная;
иые балкя; 2 — балки настила; 3 — вспомог а»
ные балки; 4 —плита проезжей части
растила и поперечные вспомогатель-
ые балки (рис. XIV, в). Эти схемы
нелогичны схемам компоновки балоч-
их клеток рабочих площадок (см.
'-2).
i .Число главных балок назначается в
Зависимости от габарита моста и от
размера пролетов. Чаще всего в про-
летных строениях сталежелезобетон-
ных мостов применяют одностенчатые
КЛалки двутаврового сечения, при боль-
Цких пролетах—одну или несколько
атых закрытых снизу балок,
алок оказывает влияние на тол-
келеэобетонной плиты, вес кото-
Срой составляет основную часть посто-
йной нагрузки на мост.
мостах больших пролетов Чаще
го устраивают две мощные главные
лки двутаврового сечения или короб-
чатую балку с двумя стенками. Боль-
Liuee чиСло главных балок (стенок) це-
лесообразно в мостах с пролетами до
м или при большей ширине проез-
жей части (при габаритах 14 м и
^более), а также в том случае, если
Нужно уменьшить строительную высоту
Пролетного строения.
При числе главных балок больше
мвух в мостах малых пролетов их
объединяют попарно Связями в прост-
ранственные блоки заводской готовно-
сти. Расстояние между балками в та-
ких блоках'принимается не более 3,25 м
шз условия перевозки железнодорож-
ным. транспортом. В Широких мостах
больших пролетов главные балки рас-
полагают на расстоянии 6—-8 м, друг
jot друга.
В схеме. проезжей части усложнен-
ного типа (рис. XIV;5, в) роль попереч-
ных вспомогательных балок могут вы-
полнять поперечные связи.
XIV.7. КОНСТРУКЦИЯ ГЛАВНЫХ
БАЛОК
Наиболее часто применяют сплош-
ные сварные балки двутаврового сече-
ния. Правила конструирования глав-
ных балок мостов остаются такими
же, как и для составных двутавровых
балок общего назначения (см. гл. V).
Так как под воздействием динамиче-
ских и вибрационных нагрузок и при
низких температурах возрастает веро-
ятность хрупких разрушений, то при
конструировании должны соблюдаться
мероприятия, снижающие концентра-
цию напряжений.
Для повышения выносливости и хла-
достойкости конструкций выполняются:
зачистки сварных стыковых швов,
устройство плавных переходов при со-
пряжении деталей, приварка промежу-
точных ребер жесткости к нижнему по-
ясу через специальные переходные де-
тали для исключения поперечных свар-
ных швов в растянутой зоне. С этой же
целью фасонки^ прикрепления продоль-
ных и вертикальных связей к главной
балке смещают вверх по отношению к
уровню поясов примерно на 250 мм
(см. рис. XIV.7, в). Количество стыков
в растянутых элементах должно быть
минимальным. Допускаемая наимень-
шая толщина листовых деталей в про-
летных строениях мостов 10 мм.
Наибольшая толщина проката в
сварных . элементах из углеродистой
и низколегированной стали — 60 мм.
Так как мостовые балки имеют
большую длину, то экономически целе-
сообразно изменение момента сопро-
тивления по длине- балки в соответ-
169
Рис. XIV.6. Включение железобетонной плиты
в совместную работу с главными балками:
а — схема раздельной работы плиты с балкой; б —
восприятие сдвигающих усилий упорами; в, г — гиб-
кие упоры; д — жесткие упоры; е — высокопрочные
болты; 1 — плита; 2 — балка; 3 — соединительные
упоры
ствии с характером эпюры изгибающих
моментов. В разрезных балках это
достигается изменением толщины или
ширины горизонтальных листов.
Промежуточные ребра жесткости,
предназначенные для обеспечения
местной устойчивости стенки, служат
одновременно для прикрепления к бал-
ке поперечных связей. Поэтому рас-
стояния между ребрами увязываются
с разбивкой связей на панели (см.
§X1V.8).
В сталежелезобетонных мостах же-
лезобетонная плита проезжей части
включается в совместную работу со
стальными балками и работает как
часть верхнего пояса на сжатие. Если
плита только уложена на верхний пояс
балки и не соединена с ним надлежа-
щим образом, то при прогибе от попе-
речной нагрузки между балкой и пли-
той произойдёт сдвиг, и они б^дут ра- ;
ботать раздельно (рис. XIV.6/a). j
Совместная работа железобетонной ’
плиты с поясом балки^беспечивается
устройством упоров, Которые препятст-
вуют их взаимному сдвигу (рис.
XIV.6, б). Упоры могут быть гибкими
в,виде арматурных выпусков — петель
(рис. XIV.6, в) — или стальных стерж- '
ней с головками (рис. XIV.6, г) и
жесткими из отрезков уголков, укреп-
ленных в необходимых случаях ребра- -
ми или выполненных из листовой стали ,
(рис. XIV.6, б).
При сборной конструкции железобе-
тонной плиты в ее блоках делают для
упоров окна или пазы, которые после
монтажа плит заполняются бетоном.
В последнее время для объединения
сборной плиты :с балкой применяют "
высокопрочные болты (рис. XIV.6, е),
иногда в комбинации с клеем.
Сечение стальной балки в сталеже-
лезобетонных конструкциях выгодно
делать несимметричным, нижний- пояс
развивать полностью, а верхний —
лишь настолько, чтобы расположить на
нем упоры и обеспечить работу балки
без плиты, пока упоры не будут замо-
ноличены.
Монтажные стыки сварных балок
при пролетах до 84 м рекомендуется
выполнять на высокопрочных болтах
(см. рис. V.14). Такое решение соче- -
тает удобство сборки и высокую на-
дежность работы монтажных соедине-
ний. Стенку перекрывают двусторон-
ними накладками, а поясные листы —
односторонними (при большой толщи-
не поясов — двусторонними) наклад-
ками. Если стык выполняется в зоне
наибольшего по длине балки изгиба- ,
ющего момента, то для компенсации '
ослабления сечения отверстиями под
болты пояса балки в местах стыка '
утолщают.
Сварные монтажные стыки, качество
которых при неблагоприятных погод-
ных условиях трудно обеспечить, при- j
меняются сравнительно редко.
170
НГГЛГ СВЯЗИ БАЛОЧНЫХ
Епролетных строения
Для объединения плоских главных
Цбалок в неизменяемую пространствен-
ьяую систему устраивается два комнлек-
|са связей: продольные (горизонталь-
ные) в плоскости нижних и верхних
Рпоясов балок (рис. XIV.7, а) и попе-
I речные (вертикальные)—опорные по
I торцам пролетного строения и проме-
^жуточные, равномерно расположенные
! по длине (рис. XIV.7, б).
Продольные связи предназначены
l. для восприятия и передачи на опоры
поперечных горизонтальных нагрузок
(от ветра, торможения) и для обеспе-
чения общей устойчивости главных ба-
Рис. XIV.7. Связи пролетных строений со сплош-
ными балками:
а — схема продольных связей; б — схема поперечных
? связей; в —узлы крепления связей к главной балке;
; Г— главная балка; 2 — продольные связи по верхним
поясам; 3 — то же, по нижним поясам; 4 — попереч-
ные связи; 6 — поддомкратные балки
лок на монтаже и в проектном поло*
жении. Они выполняются, в виде ферм,
как правило, с крестовой решеткой или
треугольной с дополнительными рас-
порками. Поясами этих ферм служат
нижние или верхние пояса главных ба-
лок. В сталежелезобетонных мостах
роль продольных связей по верхним
поясам выполняет железобетонная
плита проезжей части. Поэтому верх-
ние продольные связи имеют только
монтажное назначение.
В типовых многобалочных пролет-
ных строениях автодорожных мостов
главные балки соединяют горизонталь-
ными связями попарно в цельнопере-
возимые блоки.
Поперечные связи предназначены
для обеспечения: неизменяемости про-
летного строения в горизонтальном
направлении, общей устойчивости глав-
ных балок и, что особенно важно, про-
странственной работы пролетного
строения на вертикальные нагрузки
(см. §XV.4).
Схема решетки поперечных связей
принимается крестовой или треуголь-
ной так, чтобы угол наклона элементов
решетки находился в пределах 30—50°.
Нижними поясами поперечных связей
служат распорки продольных связей, а
на опорах пролетных строений — под-
домкратные балки (рис. XIV.7, б).
Сечения связей мостов со сплош-
ными главными балками принимают
обычно из одиночного или парных
уголков.
XIV.». ОПОРНЫЕ ЧАСТИ
БАЛОЧНЫХ МОСТОВ
Опорные части должны обеспечить:
передачу на опоры вертикальных и го-
ризонтальных сил от пролетного строе-
ния; свободу поворота и перемещения
опорных сечений главных балок вдоль
и поперек пролета при деформациях от
действия временных нагрузок и темпе-
ратурных колебаний.
Для обеспечения нужной статической
схемы опорных закреплений применя-
171
Ются опорные части: шарнирно-непо-
движные; шарнирно-подвижные в про-
дольном или поперечном направлении;
обладающие подвижностью в продоль-
ном и поперечном направлениях.
В большинстве случаев последние за-
меняются продольно-подвижными опор-
ными частями, установленными в диа-
гональном направлении (рис.Х1У.8,а).
Простейшими неподвижными явля-
ются опорные части тангенциального
типа (рис. XIV.8, б). Они обеспечива-
ют шарнирность опирания балки, од-
нако допускают смещение опорной
реакции с оси опоры, поэтому применя-
ются обычно при длине пролета 18—
25 м.
Подвижные опорные части для
небольших мостов делают однокатко-
выми (рис. XIV.8, в) или секторными
(рис. XIV.8, г), применяющимися вме-
сто однокатковых при больших опор-
ных усилиях.
Для мостов средних и больших про-
летов используют балансирные непод-
вижные и подвижные опорные части
(рис. XIV.8, д, е). Допускается также
применение резиновых опорных частей.
Рис. XIV.8. Опорные части балочных Цевтс»:
а —схемы расположения, в плане; б —- тИНОДЦЙДОЬ*
ная; в — однокатковая; г — секторная; д — ofyaraqfe
на я неподвижная; е -г балансядо&Я ПодедШИШй; /
неподвижные споры; 2 — подвижные, рпоры^ гре-
бень против предельного * сжехцЫ^й; — верхняя по-
душка; нижняя лодущка; j 4 —- Противоугонная
планка; 7 — каток; 5 —верхний балансир; 9 —сектор;
/0 —нижний балансир
Глава XV. ОСНОВЫ РАСЧЕТА ПРОЛЕТНЫХ СТРОЕНИЙ МОСТОВ
СО СПЛОШНЫМИ ГЛАВНЫМИ БАЛКАМИ
Проектирование пролетного строения
включает .в себя конструирование и
расчет, которые выполняются в такой
последовательности:
выбор элементов проезжей части;
разработка конструктивной схемы
пролетного строения (компоновка по-
перечного сечения моста, выбор схе-
мы вертикальных и горизонтальных
связей);
сбор нагрузок на пролетное строение;
определение нагрузок, воспринимае-
мых отдельными конструктивными эле-
ментами (главными балками, вспомо-
гательными балками, связями);
определение расчетных усилий в эле-
ментах от этих нагрузок;
подбор сечений и проверка прочно-
сти, устойчивости, жесткости главных
балок и других элементов;
расчет деталей и узлов (соединений
поясов со стенкой, промежуточных и
опорных ребер, жесткости, монтажных
стыков балок; конструкций объедине-
ния железобетонной, плиты со стальной
балкой; опорных частей).
XV.1. НАГРУЗКИ И ВОЗДЕЙСТВИЯ
ИА АВТОДОРОЖНЫЕ МОСТЫ
С января 1986 г. введены новые нор-
мы на проектирование мостов (СНиП
2.05.03-84). В настоящем пособии при-
водятся также основные данные по на-
172
Вязкам, регламентированным Отменен-
ЙЙММи в настоящее времйнормами про-
ектирования СНиП П-Д.7-62 и «Тех-
рическими условиями проектирования
Железнодорожных, автодорожных и го-
родских мостов и труб». (СН 200-62),
Жак как на эти нагрузки запроектиро-
ваны мосты,.построенные до 1985 г. и
^находящиеся в эксплуатации.
- Нагрузки и воздействия на пролет-
ные строения мостов делятся на по-
<стоянные (от собственного веса кон-
струкций, предварительного напряже-
ния, усадки бетона и др.), временные
от подвижного состава и пешеходов
(вертикальные, горизонтальные попе-
речные от ‘ центробежной силы или
ударов, горизонтальные продольные от
торможения или силы тягй) и прочие
временные (ветровая, температурные
климатические, строительная, сейсми-
ческая и др.).
Так как вертикальные нагрузки от
подвижного состава оказывают на
конструкцию моста динамические воз-
действия, то они умножаются на дина-
мические коэффициенты, большие еди-
ницы.
Уменьшение вероятности одновремен-
ного появления "расчетных нагрузок
учитывается умножением временных
'нагрузок на коэффициенты сочетания
пс, , принимаемые по п. 2.2 СНиП
Степень ответственности и капиталь-
ности мостов учитывается умножением
нагрузок (либо делением расчетных
сопротивлений материала) на коэф-
фициент надежности по назначению
7л = 1,1 при расчетах в стадии постоян-
ной эксплуатации (см. с. 27). При
расчетах на нагрузки и воздействия,
возникающие на стадии строитель-
ства, 7п=1,0. *
XV.2. ОСОБЕННОСТИ ПРИЛОЖЕНИЯ
ПОСТОЯННОЙ НАГРУЗКИ
К."
Нормативные вертикальные нагрузки
L ot собственного веса определяются по
проектным объемам элементов и ча-
стей конструкций.
Для баловных пролетных строений
нагрузку от собственного веса допу-
скается принимать равномерно распре-
деленной по длине пролета, если на
отдельных участках она отклоняется
от среднего значения не более чем на
10%.
При расчете сталежелезобетонных
мостов есть особенности приложения
постоянной нагрузки, связанные с
технологией возведения. Если монтаж
пролетного строения ведется без под-
ведения временных опор в пролете, то
до объединения железобетонной плиты
со стальной балкой нагрузка воспри-
нимается только стальной конструк-
цией, а после объединения — стале-
железобетонной. Поэтому постоянная
нагрузка от собственного веса в со-
ответствии с количеством частей сече-
ния главной балки, последовательно
включающихся в работу, делится на
две части.
В первую часть нагрузки q\ вклю-
чаются: вес балок со связями, вес
железобетонной плиты (с опалубкой,
если плита монолитная), возможные
строительные нагрузки. Вторая часть
постоянной нагрузки q% состоит из веса
бордюров, одежды ездового полотна
и тротуаров, тротуарных блоков и
подтротуарных балок, перил, фона-
рей.
Одежда ездового полотна по железо-
бетонной плите .должна состоять из
выравнивающего слоя, гидроизоляции,
защитного слоя изоляции, асфальто-
илн цементобетонного покрытия. Тол-
щина железобетонной плиты настила
в автодорожных и городских мостах
14...17 см.
Рекомендуемые составы одежды
ездового полотна приведены в табл.
XV.1.
Коэффициенты надежности по на-
грузке у; для постоянной нагрузки по
СНиП 2.05.03-84 и по СН 200-62 при-
ведены в табл. XV.2.
173
Таблица XV. I
Плот-
Состав покрытия Толщина слоев, мм ность ма- териала, кг/мэ
Асфальтобетонное покрытие проезжей
части
Асфальтобетон (два слоя) 70 2000
Защитный слой 40 2200
Изолирующий слой 10 1500
Выравнивающий слой 30 1600
Цементобетонное покрытие проезжей
части
Цементобетон, армиро- ванный сеткой 80 2400
Изолирующий слой 10 1500
Выравнивающий слой 30 1600
Покрытие тротуаров
Песчаный асфальт | 1 40 | | 1500
Таблица XV.2
Вид нагрузок Коэффициент
по СНнП по СН
2.05.03-84 200-62
Вес выравнивающего слоя 1,3 (0,9) 1,5 (0,9)
Вес изоляционного слоя 1,3 (0,9) U5 (0,9)
Вес защитного слоя Вес асфальтобетонного и цементобетонного покры- 1,3 (0,9) 1,5 (0,9)
тия:
автодорожных мостов 1,5 (0,9) 1,5 (0,9)
городских мостов 2,0 (0,9) 1,5 (0,9)
Железобетонная плита настила 1,1 (0,9) 1,1 (0,9)
Металлоконструкции 1,1(0,9) 1,1 (0,9)
Примечание. Значения указан-
ные в скобках, относятся к случаям, когда
данная нагрузка уменьшает расчетное суммар- ное воздействие.
XV.3. ПОДВИЖНАЯ ВЕРТИКАЛЬНАЯ
НОРМАТИВНАЯ НАГРУЗКА
По СНиП 2.05.03-84 автодорожные
металлические мосты рассчитываются
на следующие виды унифицированных
временных вертикальных нагрузок:
нагрузку от подвижного состава:
а) от автотранспортных средств;
б) от тяжелой одиночной колесной
нагрузки;
нагрузку для тротуаров и пешеход-
ных мостов.
Нагрузка от автотранспортных
средств принимается в виде полос АК,
каждая из которых включает одну
двухосную тележку (рис. XV. 1, а)
с нагрузкой на ось Р, равной 9,81 К,
кН (или К, тс), и равномерно распре-
деленную нагрузку интенсивностыр о
(на обе колеи), равную 0,98 К, кН/м
(или 0,1 К тс/м). Нагрузкой АК за-
гружаются также трамвайные пути при
их расположении на необособленном
полотне.
Класс нагрузки К характеризует ее
величину в тс и принимается равным
11 (нагрузка АН) на дорогах I —
III категорий и в городах, а также для
больших мостов (с пролетами больше
60 м) на дорогах IV и V Категорий.
Малые и средние мосты на дорогах
IV и V категорий проектируются под
нагрузку А8.
Элементы проезжей части этдх
мостов дополнительно проверяют на
давление одиночной оси, равное 108 кН
(11 тс) (рис. XV. 1, б).
Вдоль моста равномерно распре-
деленная нагрузка v может загружать
каждую полосу движения по всей дли-
не или на отдельных участках, если
это является более невыгодным. Те-
лежка устанавливается вдоль каждой
полосы нагрузок АК в самое невыгод-
ное положение.
По ширине моста число полос на-
грузок АК не должно быть больше
установленного числа полос движе-
ния, а расстояние между осями смеж-
ных полос должно быть не менее
3 м.
При многополосном движении в
каждом направлении и отсутствии раз-
делительной полосы на мосту ось край-
ней левой (внутренней) полосы на- -
грузки каждого направления не должна
располагаться ближе 1,5 м от осевой
линии или линии, разделяющей на-
правления движения.
174
196 196 196 196 кН
1,2 1,2 1,2
д
и к
Рис. XV.1. Схемы нормативных вертикальных подвижных нагрузок:
а — схема нагрузки АК; б— одиночная ось; в, г —загружение полос движения нагрузкой АК; д — схема на*
грузки НК-80; е, ж, — установка нагрузки НК-80 в поперечном направлении; з—схема тротуарной нагрузки)
и — схема нагрузки Н-30; к—загружен^е полос движения нагрузкой Н-30
При расчетах конструкций мостов
по предельным состояниям I группы
должны рассматриваться два случая
воздействия нагрузок АК:
предусматривающий невыгодное раз-
мещение на проезжей части (в кото-
рую не входят полосы безопасности П)
возможного числа полос нагрузки;
предусматривающий при незагру-
женных тротуарах невыгодное разме-
на
щение на всей ширине ездового полот-
на, в которое входят полосы безопас-
ности П) двух полос нагрузки (а на
однополосных мостах — одной полосы
нагрузки).
Оси крайних полос нагрузок АК
должны при этом находиться не ближе
1,5 м: в первом случае — от кромки
проезжей части (рис. XV.1, в); во
втором — от ограждения ездового по-
лотна (рис. XV.1, г).
При расчетах конструкций по пре-
дельным состояниям II группы рас-
сматривается только первый случай
воздействия нагрузки.
Тяжелая одиночная колесная нагруз-
ка (рис. XI. 1, д) для мостов, проекти-
руемых под нагрузку АН, принимается
в вйде нагрузки НК-80 от одной четы-
рехосной машины общим весом 785 кН
(80 тс). Загружение моста нагрузкой
НК-80 допускается только при отсут-
ствии нагрузок АК и тротуарной.
Нагрузка НК-80 может устанавли-
ваться в любое самое невыгодное по-
ложение по длине и ширине моста
параллельно его оси так, чтобы край
колеса не выходил за кромку предо-
хранительной полосы (рис. XV. 1, е).
Нагрузка для тротуаров автодорож-
ных мостов и для пешеходных мостов
принимается:
при учете совместно с другими дей-
ствующими нагрузками в виде равно-
мерно распределенной нагрузки (рис.
XV. 1, з) по формуле
р == 3,92—0,0196% кПа (XV.1)
(р = 400—2% кгс/м2),
но не менее 1,96 кПа (200 кгс/м2), где
X — длина загружения тротуара (сум-
ма длин при загружений двух или
более участков), м; •
при отсутствии других нагрузок
{для расчета элементов тротуаров) в
виде равномерно распределенной на-
грузки 3,92 кПа (400 кгс/м2) либо в
виде сосредоточенного давления 19,6 кН
(2 тс).
Городские мосты с движением метрСШ
политена или трамвая на обособленное
полотне проверяют на действие нагрум
зок от поездов из четырехосных вагоД
нов в соответствии с п. п. 2.12 и 2.1Я
СНиП 2.05.03-84. Я
По СН 200-62, действовавшим дсЯ
1986 г., нагрузка от автотранспортных!
средств принималась в виде нагрузке!
Н-30 от колонн грузовых автомобилей!
весом 295 кН (30 тс). Длина колонн!
вдоль моста не ограничивается и мо-|
жет загружать все пролетное строение 1
или его часть для получения неболь- :
ших расчетных усилий. Схема нагрузки
Н-30 в продольном направлений пред-
ставляет собой систему сосредоточен-
ных сил давления на осн автомобилей?
(рис. XV. 1, и). Сбййжейй^дмн уд а де-J
ние автомобилей по сранЙеИЙю с нор-
мативной схемой не допускается.;
Число колонн автомобилей поперек J
моста не должно превышар»; числа
полос движения. Кузова крайдай колон-
ны не должны выетуна«й зй кромку
ездового полотна, а расстояние между
кузовами ’ В соседних колоннах не
должно быть меньше 10 см, что со-
ответствует привязке осей скатов авто-
мобилей на рис. XV. 1, к.
Тяжелая одиночная колесная на-
грузка, также как и в новых нормах,
принималась в виде нагрузки НК-80,
которая в поперечном направлении
устанавливалась так, чтобы край обода
колеса был не ближе 25 см от кромки
ездового полотна (рис. XV. 1, ж).
Нагрузка на тротуарах принималась
равномерно распределенной интенсив-
ностью р = 3,92 кПа (400 кгс/м2).
Данные к схемам нормативных на*
грузок от подвижного состава при-
ведены в табл. XV.3.
Коэффициенты надежности по на-
грузке у к нормативным подвижным
и тротуарной нагрузке приведены в
табл. XV.4.
Нагрузки , от автотранспортных !
средств, перемещающихся по мосту со'
значительной скоростью, умножаются*
176
Таблица XV.3
Вид нагрузки
Технический показатель 3 о
00 X СО
X X
Вес экипажа или тележ- 216 158 785 295
ки, кН Усилие на ось, кН: заднюю 108 79 4X196 2X118
переднюю 108 79 — 59
Равномерно распределен- 10,8 7,9 — —
ная нагрузка на обе ко- леи, кН/м Длина соприкасания обо- 0,2 0,2 0,2 0,2
да колеса с покрытием проезжей части, м Ширина обода колеса, м 0,6 0,6 0,8 0,6
Ширина кузова, м — — — 2,9
Ширина колеи между 1,9 1,9 2,7 1,9
осями скатов, м Расстояние между ося- 1,5 1,5 3X1,2 6,0+
ми, м , + 1,6
Таблица XV.4
Вид нагрузки Коэффициент 7^
по СНиП 2.05.03-84 | по СН 1 200-62
АК тележка
при расчете элемен- тов проезжей части 1,5 —
при расчете всех дру- 1,5 —
гих элементов моста при X = 0
1,2 при А > 30 м —
равномерно распреде- ленная нагрузка 1,2 —-
одиночная ось 1,2 ——
НК-80 1,0 1,1
Н-30 Тротуарная: — 1,4
без учета с другими нагрузками 1,4 1,4
при учете с другими нагрузками 1,2 1,4
Примечание. X — длина участка ли-
нии влияния одного знака; для промежуточ-
ных значений X — по интерполяции.
на динамический коэффициент, кото-
рый для автодорожных и городских
балочных мостов принимается
1 + ц = 1 + 15/(37,5+1), (XV.2)
где к — длина загружаемых участков
линии влияния соответствующего уси-
лия, равная для разрезных балок про-
лету.
Для тротуарной нагрузки и для
нагрузки НК-80, скорость движения
которой ограничена, коэффициент ди-
намичности не учитывается.
При многополосном движении учи-
тывается уменьшение вероятности пол-
ного загружения всех полос. С этой
целью в расчетах для конструкций
пролетов, воспринимающих нагрузку с
нескольких полос движения, вводятся
понижающие коэффициенты sb
Нагрузки АК с одной полосы дви-
жения принимают с коэффициентом
si = l,0, а с остальных полос — с коэф-
фициентами: 1,0 — для тележек и 0,6—
для равномерно распределенной на-
грузки.
Для нагрузки Н-30 коэффициент
$1 принимается одинаковым на всех
полосах движения и определяется в
зависимости от их числа:
количество полос 2 3 4 и более
коэффициент $i 0,9 0,8 0,7
Для упрощения расчетов на подвиж-
ные нагрузки с использованием линий
влияния сосредоточенные нагрузки от
колес тяжелых машин НК-80 и авто-
мобилей Н-30 заменяют равномерно
распределенными, вызывающими в
конструкциях те же усилия. Такие
нагрузки называются эквивалентными.
Величина эквивалентной нагрузки для
каждого вида усилий (изгибающий
момент в пролете или на опоре, по-
перечная сила на опоре или в пролете)
может быть найдена из условия их
равенства при загружении линии влия-
ния сосредоточенными грузами Pi и
распределенной нагрузкой ve (рис.
XV.2):
S PlUi = Ve S
где yi — ординаты линии влияния под
сосредоточенными грузами; о)/ — пло-
щадки участков линии влияния, загру-
женных распределенной нагрузкой.
7 5-487
177
Рис. XV.3. К опреде- в .
лению коэффициента 1 ]
поперечной установки 1 1
Рис. XV.2. Замена сосредоточенных нагрузок
эквивалентными распределенными
Отсюда эквивалентная нагрузка
= (XV.3)
Как следует из этого выражения, ве-
личина эквивалентной нагрузки зависит
от вида колесной нагрузки, формы
линии влияния и длины участков за-
грузки. Эквивалентные нагрузки вы-
числены для различных характерных
случаев и сведены в специальные таб-
лицы (Прил. 11).
XV.4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ
ВРЕМЕННЫХ НАГРУЗОК
НА ГЛАВНЫЕ БАЛКИ
ПРОЛЕТНОГО СТРОЕНИЯ
В многобалочных мостах все глав-
ные балки изготавливают одинаковы-
ми и для расчета выбирается наибо-
лее нагруженная.
Так как балки соединены между
собой связями и настилом проезжей
части, то неравномерная нагрузка пе-
рераспределяется между ними за счет
пространственной работы пролетного
строения.
Точное распределение временной на-
грузки в элементах многобалочных
пролетных строений получают по тео-
рии тонкостенных стержней с учетом
деформации контура поперечного се-
чения моста. Для приближенного уче-
та пространственной работы пролет-
ного строения используются так назы-
ваемые коэффициенты поперечной
установки, которые указывают, какая
часть нагрузки воспринимается той
или иной балкой.
Коэффициенты поперечной установ-
ки вычисляются в предположении, что
давление от нагрузки распределяется
между балками пропорционально ве-
личине их прогибов. Если поперечные
связи достаточно жесткие, а отноше-
ние длины пролета к ширине не мень-
ше четырех, то можно считать, что про-
гибы балок Si, 62.... (рис. XV.3) рас-
пределяются по закону плоскости.
Определим давление в какой-либо
балке при действии сосредоточенной
силы F, приложенной с эксцентрисите-
том е по отношению к оси моста. Если
перенести силу F на ось пролетного
строения и добавить соответствующий
момент M=Fe, то давление на балки
можно представить как сумму давле-
ний от силы и момента (рис. XV.3).
. Наиболее нагруженной является
крайняя балка, так как она имеет наи-
больший прогиб б. Приходящееся на
нее давление
D = F/th + Feamax/S а?, (XV.4)
где m — количество балок в сечении
моста; а<, amax — расстояния между пара-
ми симметрично расположенных балок.
178
В Подобным образом можно опреде-
ть давление на любую балку, заме-
нив в выражении (XV.4) Отах на соот-
ветствующее ей расстояние
Так как соотношение между давле-
ниями на главные балки зависит толь-
ко от положения нагрузки F и не за-
висит от ее величины, то можно поль-
зоваться относительными давлениями в
балках D/F, вычисленными для каж-
дого положения нагрузки, которые и
являются коэффициентами поперечной
установки:
5 = 1//п 4- вйщах/ S (XV .5)
Коэффициенты поперечной установки
удобно вычислять с помощью линии
влияния давления на расчетную балку
при изменении эксцентриситета силы
F=l. Так как в выражении(XV.4)
давление D зависит от эксцентрисите-
та е линейно, то линия влияния D
есть прямая и для ее построения доста-
точно вычислить две ординаты, напри-
мер при е — Отах/2 И при в = —Ятах/2
•-J 1 , “max . Г) __ 1 “max
т и~ т
(XV.6)
Коэффициент £ вычисляют как сум-
му ординат линии влияния давления D
под единичными грузами, которыми за-
меняют установленную на линию влия-
ние нагрузку. При этом число полос
движения назначается так, чтобы был
загружен только положительный уча-
сток линии влияния.
Пример определения коэффициентов
5 для расчетной крайней левой балки
при трех полосах движения показан
на рис. XV.4. Для нагрузки АК коэф-
фициенты 5 определяются раздельно
для тележек: = уз + у& + уъ и для
равномерно распределенной нагрузки v
с учетом коэффициента многополосности
= 0,6: 50 = уз + 0,6^6 4- 0,6^8-
Для нагрузки Н-30 5Н-зо = Уг + уз +
+ у?; для нагрузки НК-80 Снк-so = Уа‘,
для нагрузки на тротуаре £т = Tyi, где
Т — ширина тротуара.
т
Рис. XV.4. Определение коэффициентов попе-
речной установки с помощью линии влияния
давления на балку
После вычисления коэффициентов
поперечной установки определяют на-
грузки на расчетную балку по форму-
лам, приведенным в табл. XV.5
XV.5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ
РАСЧЕТНЫХ УСИЛИЙ В ГЛАВНОЙ
БАЛКЕ
В качестве расчетной принимается
наиболее нагруженная крайняя балка.
Усилия от постоянной нагрузки в
главных балках сталежелезобетонных
179
Таблица XV
Вид нагрузки Нормативная нагрузка Расчетная нагруз- ка
АК: тележка, кН р = 2р е f + to
равномерно распределен- ная нагрузка, кН/м одиночная ось, кН НК-80, кН/м Яп = Vn*v ?п = Р>Лр1 Яп = Я = ЯпЪ
Тротуарная, кН/м =у^НК-80 Яп = Р*т Я = Яп^
Н-30, кН/м Яп = =иЛн-зо Я = Яп1((Д +н)
Примечание. Для нагрузок НК-80
и Н-30 эквивалентная нагрузка у принимает-
ся в соответствии с положением вершин линий
влияния усилий.
мостов определяют раздельно от пер-
вой и второй частей нагрузки q\ и qz
(см. § XV.2). Для мостов остальных
систем усилия вычисляют от полной
постоянной нагрузки ?i + <?2-
Усилия от временных нагрузок
определяют для каждой из расчетных
нагрузок, подсчитанных по формулам
табл. XV.5.
Изгибающий момент М и поперечную
силу Q находят в тех сечениях балки,
где каждый из этих силовых факторов
принимает максимальное значение.
Кроме того, М и Q вычисляют в местах
изменения сечения по длине балки,
на опорах неразрезных балок, в про-
межуточных сечениях в пролете для
проверки прочности от их совместно-
го действия.
Определив в балке изгибающие мо-
менты и поперечные силы от каждой
из расчетных нагрузок, нужно найти их
наиболее невыгодные сочетания. Как
уже отмечалось, тяжелая одиночная
колесная нагрузка НК-80 не учитыва-
ется с нагрузкой от автотранспортных
средств АК (по старым нормам Н-30)
и с тротуарной нагрузкой.
При определении расчетных усилий
в главных балках автодорожных мос-
тов рассматривается совместное дей-
ствие: 1) постоянной нагрузки, АК (по
старым нормам Н-30) и нагрузки на
тротуарах; 2) постоянной нагрузки и
НК-80. Полученные таким образом
расчетные усилия используются для
подбора сечения балок и проверок
прочности и устойчивости.
Для проверки прогиба однопролет-
ной балки нужно определить больший
изгибающий момент в середине про-
лета, вызванный одной из нормативных
нагрузок подвижного состава, приня-
тых по формулам табл. XV.5. Верти-
кальный упругий прогиб пролетных
строений не должен превышать для
городских и автодорожных мостов
1/400 /, где I — расчетный пролет.
XV.6. ОСНОВЫ РАСЧЕТА СЕЧЕНИЙ
СПЛОШНЫХ ГЛАВНЫХ БАЛОК
Расчет главных балок мостов прин-
ципиально остается таким же, как и
для балок общего назначения.
Особенности расчета балок пролет-
ных строений появляются, когда в
совместную работу с ними включается
несущий настил проезжей части —
железобетонная плита сталежелезобе-
тонных мостов или ортотропная плита
стальных мостов.
Расчет сталежелезобетонных (объ-
единенных) балок. Так как сталежеле-
зобетонное сечение состоит из двух
последовательно включающихся в ра-
боту частей: стальной балки и железо-
бетонной плиты, то расчет поперечного
сечения выполняется по двум стадиям
работы:
до объединения стальной конструк-
ции с железобетонной плитой (до
замоноличивания упоров);
после объединения стальной кон-
струкции с железобетонной плитой.
180
Рис. XV.5. Расчетные схемы сечения сталежелезобетонной балки:
а — на первой стадии работы; б — на второй стадии работы; в — напряжения первой стадии: г — напряжения
второй стадии; д — суммарные напряжения; Cs, Cstb, — центр тяжести соответственно стальной балки,
объединенного сечения и железобетонной плиты
Расчет на первой стадии работы
выполняется по усилиям, действующим
от первой части постоянной нагруз-
ки qx. Расчет на второй стадии выпол-
няется на действие второй части по-
стоянной нагрузки ^2 и временных
нагрузок.
Нагрузку первой стадии работы
воспринимает только стальная балка.
На краях расчетного сечения, показан-
ного на рис. XV.5, а, в точках Psi и Ps2
возникают наибольшие нормальные
напряжения, а на нейтральной оси
х0 — Хо — наибольшие касательные на-
пряжения первой стадии:
ч»-ТГ <XV7>
На второй стадии работы нагрузку
воспринимает объединенное сечение
(рис. XV.5, б) с нейтральной осью xi—
xi. Наибольшие нормальные напря-
жения второй стадии на краях
втальной балки и касательные напря-
жения на нейтральной оси xi—хи
м2
°2.sl — -----; e2,s2 =
xwsbef&
^2 ~ / / »
lstblu>
м2
*Ws2,stb’
(XV.8)
- а напряжения, возникающие в бетоне,
м2
~ п П7 ~~~
nbWb,stb
(XV.9)
где аы — напряжения, возникающие в
центре тяжести поперечного сечения
бетона от его ползучести, обжатия по-
перечных швов сборной плиты, усадки
бетона и изменения температуры в бе-
тоне при резких (суточных) колебаниях.
Влияние этих факторов, уменьшающих
участие железобетонной плиты в работе
объединенного сечения и догружающих
еечение стальной балки, учитывается
специальным расчетом.
Прочность сечения проверяют по сум-
марным напряжениям обеих стадий ра-
боты. Проверка стального верхнего
пояса!
”s! = Ol.sl + e2,sl -С niitnRy. (XV. 10)
Проверка стального нижнего пояса)
Os2 = <?l.s2 + 02,s2 С mRy. (XV. 11)
181
Проверка прочности стальной балки на
срез:
. т = 4- т2 < mRs. (XV. 12)
Проверка прочности бетона:
<зь -С mbRb- (XV. 13)
Формулы (XV.7) — (XV.13) отра-
жают принцип расчета сталежелезо-
бетонных сечений. Подробный расчет
излагается в разделе 5 СНиП 2.05.
03-84.
Особенностью сталежелезобетонных
конструкций является работа в их
составе разнородных материалов —
стали и бетона, в которых из-за раз-
личия модулей упругости возникают
при одинаковой деформации разные по
величине напряжения.
Поэтому используемые в формулах
геометрические характеристики сечений
стальной балки и железобетонной пли-
ты — площадь, момент инерции, ста-
тические моменты — приводятся к од-
ному материалу, обычно к стали. Для
этого геометрические характеристики
железобетона делятся на коэффициент
приведения: пъ~Е1Еь, где Е — модуль
упругости стали; Еь — модуль упругос-
ти бетона. Например, площадь стале-
железобетонного сечения
Лйь = As + Аь/пь. (XV.14)
Момент инерции относительно оси Xi—
х\, проходящей через центр тяжести
сечения,
7stb = 1s + Aszl.stb + 1ь/Пь + AbZb.stb/tib-
(XV. 15)
В выражениях (XV.7) — (XV.15) при-
няты следующие обозначения: Afi и
М.2 — изгибающий момент первой и вто-
рой стадии работы; Qi и Q2— попереч-
ная сила первой и второй стадии рабо-
ты; Ss— статический момент части се-
чения стальйой балки, расположенной
выше (или ниже) оси хо—хо, относи-
тельно этой оси; Sstb — статический мо-
мент части стаЛе'железобетонного сече-
ния, лежащей выше (или ниже) оси
xj—xi, относительно этой оси; 1Fsi.s =
= fs/Zsl.s', Wsi.s = /s/Zs2.s — моменты co-
противления для точек si и $2 сталь-
ного сечения; Wsi.stb^lstb/Zsi.stb', B7s2.s«>=
= 7stb/Zs2,stb', IFb,sib= Istb/Zb.stb, — момен-
ты сопротивления для точек si, s2 и
Съ сталежелезобетонного сечения; Is —
момент инерции нетто поперечного
сечения стальной балки относительно
оси хо — хо; Istb — момент инерции
сталежелезобетонного сечения отно-
сительно оси Xi — хг, 1ь — момент
инерции бетонной плиты относительно
оси, проходящей через ее центр тяжес-
ти; —толщина стенки стальной балки;
mi—коэффициент условий работы сталь-
ного верхнего пояса, учитывающий его
разгрузку прилегающим недонапряжен-
ным бетоном и принимаемый не более
1,2; т — коэффициент условий работы
элементов пролетных строений мостов,
принимаемый равным 0,9; гпъ— коэф-
фициент условий работы бетона по
п. 3.25 СНиП 2.05. 03-84; Ry, Rs, Rt—
расчетные сопротивления соответствен-
но стали растяжению и срезу и рас-
четное сопротивление бетона; As — пло-
щадь нетто поперечного сечения сталь-
ной балки; Аь — площадь сечения
бетона zsi,s; z$2.s» Zsi,s/bi Zs2,stb‘, zs,stb‘,
Zb,stb — расстояния согласно рис. XV.5;
х — коэффициент, учитывающий ограни-
ченное развитие пластических деформа-
ций в сечении стальной балки, прини-
маемый по п. 4.26 СНиП 2.05.03-84.
Проверка вертикального прогиба и
местной устойчивости объединенной
балки выполняется так же, как и для
стальных балок. Общая устойчивость
объединенных балок всегда обеспече-
на, поскольку верхний пояс соединен
с настилом непрерывно по всей длине.
Особенность расчета соединения поя-
сов стальной балки со стенкой заклю-
чается в том, что сдвигающая сила
Т (см. § V.8) определяется с учетом
двух стадий работы:
Т = QtSs/ls + Q2Sstb/lstb, (XV.16)
где Ss — статический момент пояса;
стальной балки относительно оси xq—Хо;«
182
— сумма статических моментов по-
^Йа стальной балки и приведенной к
стали площади сечения железобетонной
плиты относительно оси Xi—*i.
- Расчет конструкций объединения
(упоров) выполняют на действие сдви-
гающей силы в объединяющем шве
между верхним поясом стальной бал-
ки и уложенной на него железобетон-
ной плитой (см. рис. XIV.6):
T = Q2SblStb, (XV. 17)
где Sb,stb— статический момент приве-
денной к стали площади сечения же-
лезобетонной плиты относительно оси
xi—хь
Расчет пролетных строений с орто-
тропной плитой. Для получения орто-
тропной плиты стальной лист настила
подкрепляют системой взаимно пер-
пендикулярных ребер (см. рис. XV.4, о).
Так же, как и железобетонный настил
в сталежелезобетонных балках, ор-
тотропный настил вовлекается в рабо-
ту главных балок и выполняет функ-
ции верхнего пояса. В балках короб-
чатого сечения нижний пояс также
выполняют в виде ортотропной плиты.
Метод расчета пролетных строений,
учитывающий совместную работу лис-
та, подкрепляющих его ребер и глав-
ных балок, отличается большой слож-
ностью. При предварительном назна-
чении сечений элементов пролетного
строения используют упрощенную схе-
му. Ортотропную плиту допускается
условно разделять на отдельные систе-
мы продольных и поперечных ребер с
соответствующими примыкающими
участками листа настила. Такая схема
напоминает балочную клетку услож-
ненного t типа ' (см. § V.2), в ко-
торой продольные ребра выполняют
роль балок настила, а поперечные реб-
ра — роль вспомогательных балок,
опирающихся на главные балки про-
летного строения (рис. XV.6, а).
Лист настила условно рассчитывает-
ся как мембрана, загруженная мест-
ной нагрузкой от давления обода ко-
Рис. XV.6. К расчету элементов ортотропной
плиты:
а — фрагмент пролетного строения; б— р асчетная схе-
ма листа настила; в -*• расчетное сечение продольного
ребра; г — расчетное сечение поперечного ребра; 1 —
лист настила; 2 — продольные ребра; 3 — поперечные
ребра; 4 — главные балки
леса (рис. XV.6. б) с пролетом, равным
шагу продольных ребер а. Толщину
настила в автодорожных и городских
мостах принимают не менее 12 мм и
не менее полученной по формуле
з
t = aV-np/E, (XV.18)
где а — расстояние между продольны-
ми ребрами; т] = 7,8 или 15,6 — коэф-
фициент для ортотропных плит с про-
дольными ребрами соответственно по-
лосового и фасонного профиля; р —
давление на лист настила от колеса,
определяемое с учетом его распреде-
ления конструкцией полотна (распре-
деление принимается под углом 45°).
Для продольного ребра расчетной
схемой является многопролетная не-
разрезная балка с пролетами d, опо-
рами которой служат поперечные бал-
ки. Расчетное сечение включает про-
дольное ребро и часть листа настила
шириной, равной шагу продольных
ребер а (рис. XV.6, в). Изгибающий
момент в пролете балки
Л4пр = 0,35(P/8)(2d —с). (XV.19)
Отрицательный момент над опорой
Л4Оп=0,6Л1Пр. Здесь Р — нагрузка от
колеса; d — шаг поперечных ребер;
с —длина соприкасания обода колеса
с покрытием проезжей части (см.
табл. XV.3).
183
Поперечное ребро условно рассчи-
тывается как разрезная балка проле-
том Ь, равным расстоянию между глав-
ными балками. Некоторое защемление
поперечного ребра в местах соприка-
сания с главными балками учитывает-
ся умножением пролетного изгибающе-
го момента на коэффициент 0,8. В рас-
четное сечение поперечного ребра (рис.
XV.6, г) вводится часть настила шири-
ной 1/6 пролета Ь, но не более шага
поперечных ребер d.
Главные балки рассчитываются на
нагрузки, определенные с учетом коэф-
фициентов установки £. В расчетное
сечение главной балки включается
вертикальная стенка, а в качестве поя-
сов верхний и нижний горизонтальные
листы с продольными ребрами, причем
горизонтальные листы с ребрами учи-
тываются в работе сечения моста пол-
ностью. Высота главных балок прини-
мается в пределах 1/30—1/50 пролета
моста.
Глава XVI. БАШНИ И МАЧТЫ
XVI.1. НАЗНАЧЕНИЕ БАШЕН
И МАЧТ
Башенные и мачтовые сооружения
отличаются большой высотой, превы-
шающей размеры в плане более чем
в 5—8 раз. Высота этих сооружений
достигает 500—600 м. Существуют
проекты башен высотой 1000—4000 м.
Принципиальное различие между
башнями и мачтами заключается в
особенностях статической схемы. Баш-
ней называется свободно стоящая,
жестко защемленная в основании кон-
струкция, работающая как консоль
(рис. XVI. 1, а). Мачта состоит из шар-
Рис. XVI. 1. Конструктивные схемы*.
а — башен; б — мачты
нирно (иногда жестко) опертого на
фундамент тонкого ствола, устойчи-
вость которого обеспечивается систе-
мой оттяжек (рис. XVI.1,6).
Эти особенности определяют преиму-
щества и недостатки башен и мачт.
Башни требуют меньшей площади
застройки, чем мачты, надежнее в
эксплуатации, но обладают большей
металлоемкостью. Мачты экономичнее
по затратам стали, отличаются удоб-
ством монтажа, изготовляются инду-
стриально. Однако площадь застройки
мачты средней высоты составляет не-
сколько гектаров, поэтому в условиях
городской застройки предпочтение от-
дается башням.
Башни и мачты выполняют функции
опор различного технологического на-
значения; для оборудования телевизи-
онных и радиовещательных центров,
линий связи и электропередач, антен-
ных и осветительных систем, газоот-
водящих стволов (труб), резервуаров
воды, висячих мостов и трубопроводов,
канатных дорог и др.
В настоящее время до высоты 150 м
башни и мачты имеют равное приме-
нение. При высоте опор свыше 150 м
большее распространение получают ма.
чты, так как стоимость и масса башен
с увеличением высоты резко возраста-
ют, и их применение целесообразно
только в уникальных сооружениях.
184
XVI.2. НАГРУЗКИ И ВОЗДЕЙСТВИЯ
Высотные сооружения типа башен
и мачт отличаются тем, что для них
основной нагрузкой является ветровая
нагрузка, которая резко возрастает по
мере удаления от поверхности Земли.
Сравнительно большая гибкость этих
Сооружений и их отдельных элементов
приближает частоту собственных ко-
лебаний конструкций к частоте пуль-
сации ветрового напора, вследствие
чего конструкция начинает активно
взаимодействовать с ветровым пото-
ком. Поэтому, в отличие от обычных
жестких сооружений, для башен и
мачт необходим учет не только стати-
ческого, но и динамического воздей-
ствия ветрового напора.
Масса конструкции и нагрузка от
оборудования имеют второстепенное
значение по сравнению с ветровой на-
грузкой.
Нагрузки на башни и мачты под-
разделяются на постоянные и времен-
ные '(длительные, кратковременные,
особые).
К постоянным нагрузкам относятся:
йес Постоянных частей несущих кон-
струкций; вес оборудования, без кото-
рого сооружение не может функ-
ционировать; воздействие предвари-
тельного напряжения элементов конст-
рУЙййС
К длительным нагрузкам относятся:
вес частей сооружения, которые в
4 процессе эксплуатации могут изменять-
ся; вес оборудования, которое может
изменять положение; средние скорости
. ветра, при которых наиболее часто
возможно колебание сооружения.
К кратковременным нагрузкам отно-
сятся: ветровые максимальной интен-
сивности; обледенение; изменение тем-
пературы; атмосферные осадки и от-
ложения пыли; от веса людей и ин-
струментов; монтажные.
К особым нагрузкам относятся: сей-
смические и взрывные; вызываемые
прломкой оборудования, обрывом про-
Рис. XVI.2. Воздействие ветровой нагрузки на
высотные сооружения:
а — график скорости ветра; б — график изменения
лобового сопротивления; в — собственные формы сво-
бодных колебаний башен
водов и др.; неравномерность осадки
основания.
Ветровая нагрузка. График скорости
ветра приведен на рис. XVI.2, а. Ветро-
вая нагрузка в любой момент времени
может быть представлена в виде сум^
мы двух компонентов: постоянной —
статической, вызванной средней ско-
ростью ветрового потока исР, и пере-
менной — динамической добавкой, вы-
званной возрастанием скорости в по-
рыве Упор. Период пульсаций ветра
составляет от одной секунды до не-
скольких минут.
Влияние порывов ветра на сооруже-
ние нужно учитывать, если период
8 6-487
185
er^. сво^одцкх иалераний! п^евып^ает
ЬвЭ(йЧийа1с!^1 ти^ескойео ста fl-
ля ющей ветрового напора зависит от
наветренной площади конструкции и
ее обтекаемости (формы), которая ха-
рактеризуется коэффициентами лобово-
го сопротивления сх. Для уменьшения
статического давления ветра на соору-
жение нужно применять хорошо обте-
каемые профили с небольшим попе-
речным сечением. Этим требованиям
отвечают трубчатые и сплошные эле-
менты.
Зависимость коэффициента лобово-
го сопротивления сх от чисел Рейнольд-
са которые характеризуют
подобие поведения тел в потоке газов
или жидкостей, приведена на рис.
XVI.2, б. В приведенном выражении:
о — скорость потока, d — поперечный
размер тела; v — кинетическая вяз-
кость среды.
4 Как видно из графика на рис. XVI.
2,6, лобовое сопротивление конструк-
ций существенно снижается при зна-
чениях Re в диапазоне 4-10 ®...8 • 105.
Это явление используется для умень-
шения ветровой нагрузки На верхнюю
часть башен, что приводит к ощути-
мому уменьшению усилий в ее нижней
части. Для того чтобы попасть в нуж-
ный диапазон чисел Ret иногда нужно
увеличить диаметр стержней d. До-
стигнутое при этом снижение суммар-
ной ветровой нагрузки на башню вы-
годно даже ценой увеличения расхода
металла в верхних секциях башни.
Динамическая составляю-
щая ветровой нагрузки является след-
ствием порывистости ветра, возбуж-
дающей колебание сооружения. Нор-
мативное значение динамической
составляющей определяется' для каж-
дой формы свободных колебаний в
виде системы инерционных сил Q,
приложенных к серединам участков, на
которые условно разбивается сооруже-
ние (рис. XVI.2, е).
Инерционные силы, действующие на
каждый участок едоруже»**. ве^ауч^м
умножением мдссы- учади» «яа т^го-
рение, с. которым масса перемещается
при колебаниях. Их величина зависит
от .таких характеристик сооружения,
как период, форма и логарифмический
декремент колебаний, характеризую-
щий скорость затухания колебаний.
Суммарные усилия и перемещения
от статической и динамической состав-
ляющих ветровой нагрузки определя-
ются по формуле (ЗЦ1.2).
В зависимости от расчетной схемы
сооружения динамическая составляю-
щая ветровой нагрузки может быть
приведена к вершине (водонапорные
башни) или распределена по высоте
сооружения. П^рЫ^йе указдйия по
определению деяайФдекючййЫйяИ)-
щих приведены в СНиП П-Ф-74 <На«'
грузки и воздействия». f i
Период свободных колебациЙ; С,
сооружений определяют приблмЖёй».
Для башен предложенафор^ла
(XVI Л)
где k — коэффициент» учитывающий ма-
териал конструкции, число граней и
очертание башни и принимаемый в пре-
делах 0,01—0,06; Н — высота башни, м;
В и b — размеры грани башни в плане
соответственно внизу и вверху, м.
Период колебаний мачты с оттяж-
ками, с, может быть предварительно
определен по формуле
Т = 0,01Я, (XVI.2)
где Н — высота мачты, и.
Для башен и мачт круговой ци-
линдрической формы (дымовые трубы,
и т. п.) ветер может вызывать коле-
бания в направлении, перпендикуляр-
ном потоку. Поэтому для таких соору-
жений должна производиться проверка
на резонанс.
Нагрузки от веса конструкций и обо-
рудования вызывают сравнительно
небольшие напряжения в элементах
башен и мачт (До 20—25 % расчетных).
Исключение составляют водонапорные
186
для которых нагрузка от ре-
.вНВОДОЙРЙЙЛЯёТСЯ основной.
-6нЕем‘®е мшей 'лрФйиЛьный учет рас-
«ределения массы йо высоте сооруже-
ния Ражей при определении усилий и
перемещений от динамической состав-
ляющей ветровой нагрузки. Особенно
это существенно для высоких башен,
которые, как правило, сужаются квер-
ху. Распределение маесы по высоте
при проектировании принимается по
аналогичным проектам либо опреде-
ляется по приближенным формулам:
gi = 0,б£ср [1 + 3(1- х(/Н?], (XVI .3)
где gi — масса башни на рассматрива-
емой высоте хе, gcp — средняя масса
башни.
XVI. 3. КОНСТРУКТИВНЫЕ РЕШЕНИЯ
Рис. XVI.3. Типы решеток башен и мачт:
а — раскосная; б — треугольная; в —крестовая; г-~
крестовая с дополнительными распорками; д— ром-
бическая; а —ромбическая с дополнительными рас-
порками; ж — полураскосная
вашей и мачт
'Схемы и конструктивные решения
башен принимаются в зависимости от
технологических требований, способов
монтажа, степени ответственности кон-
струкций. В некоторых случаях при-
нимаются во внимание эстетические
Требования. Рациональная конструк-
твдвдая форма должна отвечать эконо-
мическим требованиям.
( По конструкции башни и стволы мачт
мщут быть решетчатыми и сплошными.
конструкции представ-
Йютсобой-пространственные шарнир-
Ммйтержневые системы, (фермы) раз-
АИи<А кбайгураД®11- Сплошные кон-
струкции выполняют в- виде стальных
циЛДйДрических или конических обо-
лйчек.
Благодаря индустриальности изго-
товления и монтажа наибольшее рас-
пространение получили решетчатые
башни и стволы мачт. Сплошные кон-
струкции круглой формы применяют-
ся в стволах мачт, а в башнях прак-
тически не встречаются, хотя по
сравнению с решетчатыми обладают
такими преимуществами, как умень-
шение наветренной площади и ветро-
вой нагрузки, уменьшение гололедной
нагрузки, улучшение условий эксплуа-
тации технологических коммуникаций,
расположенных внутри ствола.
Решетчатые башни имеют в плане
сечение в виде правильного много-
угольника. Чаще всего применяются
трех- или четырехгранные башни. При
высоте более 300 м для уменьшения
ширины грани и сокращения длины
стержней решетки проектируют шести-
восьмигранные башни.
Для обеспечения неизменяемости по-
перечных сечений башен в ряде сече-
ний по высоте башки, устраивают жест-
кие Диски-диафрагмы. Обычно их ис-
пользуют как технологические пло-
щадки.
По очерта ии'ям поясов баш-
ни могут быть призматической или
пирамидальной формы без изломов
поясов с одним или несколькими изло-
мами по высоте. Отношение ширины
основания башни к ее высоте обычно
составляет 1/8—1/20.
Типы решеток, применяемые в
башнях для соединения поясов, при-
ведены на рис. XVI .3.
Раскосная (рис. XVI.3, а) и тре-
угольная (рис. XVI.6) решетки отли-
чаются малым числом элементов. Рас-
косы должны воспринимать в зависи-
мости от направления нагрузки растя-
в*
187
гивающйе и сжимающие усилия, по-
этому площадь их сечения подбирает-
ся по усилию сжатия. Так как раскос-
ная решетка имеет большую расчетную
длину в плоскости граней, она оказы-
вается выгодной при небольшой их
ширине.
Крестовая решетка (рис. XVI.3, в)
более сложная, но позволяет приме-
нять раскосы, работающие только на
растяжение и выключающиеся при
сжатии. Поэтому часто раскосы в кре-
стовой решетке выполняют гибкими.
Крестовая решетка, будучи статичес-
ки неопределимой, допускает приме-
нение предварительного напряжения
в раскосах, что часто используется для
увеличения жесткости башен. Предва-
рительное растяжение принимают та-
ким, чтобы оно было больше возмож-
ного сжатие, возникающего в раскосах
от нагрузки.
В ромбической решетке (рис. XVI.
3, д) раскосы работают, как в тре-
угольной и раскосной, на растяжение
или сжатие, но расчетная длина стерж-
ней в два раза меньше. Это* дела-
ет ромбическую решетку более вы-
годной при большой ширине грани.
Для сокращения расчетной длины поя-
сов в крестовой и ромбической решет-
ках могут применяться дополнительные
распорки (рис. XVI.3, а, е).
Полураскосная решетка применяет-
ся при повышенных требованиях к
жесткости башни (XVI.3, ж).
В решетчатых стволах мачт наибо-
лее выгодной оказывается треугольная
решетка.
На выбор материаловипро-
филей элементов башен и мачт опре-
деляющее влияние оказывают следую-
щие особенности их работы: зависи-
мость величины ветровой нагрузки от
размеров и формы сечений элементов;
возможность возникновения перемен-
ных по знаку и величине усилий в
элементах и узловых соединениях; на-
личие температурных и коррозионных
воздействий.
Для конструкций башен и м^чт вы-
сотой до 500 м, как правило, Приме-
няют малоуглеродистые стали по ТУ
14-1 -3023-80, ГОСТ 23570-79, ГОСТ
380-71, низколегированные стали марок
09Г2С, 10Г2С1, 16Г2АФ по ГОСТ
19281-73 и ГОСТ 19282-73, Для уни-
кальных сооружений возможно приме-
нение специальных сталей.
Пояса башен выполняют в большин-
стве случаев из труб, имеющих мини-
мальное лобовое сопротивление. Они
эффективны при работе на сжатие.
В поясах невысоких башен применя-
ются сечения из уголков.
Раскосы выполняют из труб, кресто-
вых и тавровых сечений из уголков,
составные сечений -.из швеллеров.
В крестовой решетке, когдз фаскрсы
работают только на растяйфше, их
можно выполнять гибкими из б^йноч^
ных уголков, круглой стали, канатов.
Раскосы из круглой стали и кайатбв
на монтаже обязательно предвйфитель-
но натягиваются для увеличШйй го-
ризонтальной жесткости' вашей.
Для оттяжек мачт й гибких раско-
сов ствблов башен применяются сталь-
ные оцинкованные канаты различных
типов: открытые одинарной свивки
(спиральные) или двойной свивки
(тросы) с металлическим или неме-
таллическим сердечником. Для оття-
жек с большими усилиями могут при-
меняться канаты закрытого типа, из
z-образных и клиновидных проволок
либо невитые в виде пучка параллель-
ных проволок.
XVI.4. ОСНОВЫ РАСЧЕТА БАШЕН
При расчете башен сначала уста-
навливают габаритные размеры и схе-
му разбивки на панели. Задают
размеры и формы сечений и определя-
ют статическую составляющую ветро-
вой нагрузки, а также нагрузку отвеса,
оборудования и другие нагрузки. После
этого определяют динамическую состав-
ляющую ветровой нагрузки для первой,
188
Рис, XV1.4. К расчету башен и мачт:
< ~ разложение нагрузки на грани баи ни; б—дефор-
мированная расчетная схема мачты; а—расчетная
ствола мачты на предварительном этапе расчета;
ММ-.то же» на окончательном этапе расчета
зф.при необходимости и для высших
эдббственных форм колебаний (см. рис.
№«)•.
^Усилия в элементах башни вычисля-
ttj^T статических нагрузок и от инер-
ямдомх сил раздельно, для каждой
^фМы колебаний, а затем, пользуясь
формулой (XI 1.2), определяют суммар-
ные усилия в расчетных комбинациях.
Для определения усилий используют
Точные или приближенные приемы.
Точная расчетная схема решетчатых
башен — пространственная стержневая
-система с шарнирными соединениями
’’в узлах. Расчетная схема сплошной
башни — тонкостенная цилиндрическая
йили коническая консольная оболочка.
: Расчет таких систем довольно сложен.
Для предварительных расчетов, в
особенности для трех- и четырехгран-
ных башен, используют приближенные
способы, из которых наиболее часто
применяются два следующих.
Первый способ заключаете^ 6 разло-
жении нагрузки на грани башни (рис.
XVI .4, а) и определении усилий в гранях
как в плоских фермах построением диа-
грамм Максвелла — Кремоны, если эти
фермы статически определимы.
Второй способ состоит в том, что
для решетчатых башен различной фор-
мы усилия в элементах можно доста-
точно точно выразить через момен-
ты М, продольные N и поперечные Q
силы, определенные в башне как в
сплошном вертикальном консольном
стержне. При этом для упрощения
можно не учитывать влияние М и N
на работу решетки и влияние Q на
работу.поясов.
В табл. XVI. 1 показаны наиболее
опасные направления ветра при расче-
те поясов и решетки башен с различной
формой поперечного сечения башен в
плане. Здесь же приведены расчетные
формулы для вычисления усилий в
поясах и раскосах. Полные усилия в
поясах Nf от вертикальных и горизон-
тальных нагрузок равны сумме усилий
от продольной силы N и изгибающего
момента М, найденных в башне как
в сплошном консольном стержне:
Nf = Ni + V2.
По расчетным усилиям проверяют
йрочность и устойчивость поясов и
раскосов как центрально-сжатых ли-
бо центрально-растянутых стержней по
формулам (Ш.11) и (III.1); Весь ствол
башни проверяется на общую устой-
чивость как сжато-изогнутый стержень
составного сечения по формуле (III.19).
XVI.S. ОСНОВЫ РАСЧЕТА МАЧТ
Мачта состоит из жесткого ствола,
воспринимающего сжатие и изгиб, и
оттяжек, которые могут работать толь-
ко на растяжение.
В расчетном отношении ствол мач-
ты — неразрезная многопролетная бал-
ка, упругими опорами которой служат
узлы примыкания оттяжек. Оттяжки —
гибкие нити, нагруженные распреде-
189
ip XVI. t
'S Сечения башен 0 1 о 1 \ \ । / 1' // // у \ —*’1 W У X. Е,: ~ - \/
Усилия б мяса г от продольной сипы JtOSf н, N N ‘векг_~> BCOSf
Усилия б пояса* от и&ибаыцего ионенм 6г г_ 8г
Усилия в раскосах COS Ct Я (S——' 2 cos а Л _ я 2fifCGS0t 2 cos а
if; и
Пр и не чан не. А—наиболее опасное направление ветра оря. расчет» поясов; Б— ’
наиболее опасное направление ветра при расчете раскосов; т-4 дом наклона поясов к вер-
пкальной оси башни; а — угол наклона раскоса к горизонтально# плоскости •
ленной нагрузкой, от собственного веса
и'ветра, концы которых закреплены в
разных уровнях.
Такая простая по конструкции ван-
тово-стержневая система - отличается
весьма' сложным характером поведе-
ний пбд нагрузкой,’ связанным с осо-
бенностью работы оттяжек Как гибких
нитей, нагруженных поперечной на-
грузкой. Уменьшение или увеличениё
пролета гибкой нити (сближение и
расхождение концов) происходит как
от ее упругого удлинения (укороче-
ния), т.ак .и в результате изменения
формы провисания нити от временных
нагрузок, которыми для оттяжек яв-
ляются ветер, обледенение, темпера-
турные перепады. Вследствие этого
возникают значительные перемещения
оттяжечных узлов ствола мачты, со-
измеримые с поперечным размером
ствола. Изменение эксцентриситета
вертикальных сил в стволе (рис. XVI .4,
б) приводят к появлению в нем до-
полнительных изгибающих моментов.
Таким образом,^большие деформации
мачты приводят к тому, что ее расчет-
ная схема изменяется под нагрузкой,
Поэтому'необходимо выполнять расчет
по деформированной схеме. меТодоД-.
последовательного приближенна? ДИ
Работоспособность мачт
дается предварительным ’
оттяжек, в/реа^д^т^^Ыя '
воспринимать сжимающие усилия, а .
также увеличивается их продольная'
жесткость за счет уменьшения стрелы
провисания.
Расчет мачты выполняется в два
этапа; На первом, приближенном эта-
пе, когда сечения оттяжек еще не из-
вестны (а следовательно, не известны
ни вес нитей, ни ветровая нагрузка на
них), оттяжки рассматривают как не-
весомые нити, и перемещение узлов
крепления их к стволу мачты не учиты-
вают. В результате ствол условно рас-
считывают, как балку на жестких
опорах (рис; XVI.4, а). Для упроще-
ния предварительных, расчетов в узлы
опирания ТакОЙ балки вводят шарниры.
Полученнаяна первом этапе упрощен-
ная расчетная схема используется для
- предварительного подбора сечений
ствола и оттяжек.
Затем переходят ко второму, окон-
чательному, этапу расчета. Так как
сечения Оттяжек уже приближенно за-
196
jfch-eo- можно установить действую-
н&иМк постоянную и ветровую
рудой и рассчитывать оттяжки .как
ги, нагруженные поперечной нагруз-
цй. Это позволяет учесть истинные
щения оттяжечных узлов и рассмат-
гвать ствол как неразрезную много-
облетную балку на податливых опо-
рах (рис. XVI.4, г).
После того как в стволе найдены рас-
четные усилия М, N и Q, каждый его
участок между оттяжечными узлами
проверяют на устойчивость по формуле
$111.19) как сплошной или составной
решетчатый внецентренно-сжатый стер-
жень. Если ствол мачты решетчатый,
то в его поясах определяют продоль-
Еа силы Nf и в раскосах N<t от дей-
ующих в стволе усилий М, N и Q.
и этом, как и для башен, можно
Использовать формулы табл. . XVI.1.
Затем пояса и раскосы проверяются
на устойчивость как центрально-сжа-
тые стержни по формуле (Ш.П).
ИЛ. СОВРЕМЕННЫЕ БАШЕННЫЕ
МДЧТОВЫЕ СООРУЖЕНИЯ СВЯЗИ
троительство мачтовых и башенных
й^гжейнб связи в Советском Союзе
Щло развиваться с 20-х гг. Интен-
развитие. радио и телевидения,
во ^послевоенные годы, потре-
би» сооружения большого количест-
хустройств.
ктивийя форма радио- и те-
онных опор прежде всего опре-
яется их целевым, назначением
диотелевизионная связь, радноре-
йные линии, тропосферная связь и
ж,-,д.). Помимо рабочих функций эти
вооружения могут выполнять и неко-
торые дополнительные: на них могут
располагаться террасы и балконы для
Осмотра местности, кафе, рестораны,
Магазины.
^Конструктивная форма опор должна
|песпечивать обтекаемость для умень-
шения воздействия ветровых нагрузок.
х|ри конструировании башен и мачт
должны учитываться требования мон-
тажа, Поскольку бЕШнИ 'й'*М!Гчты са-
мые йысокна,сооружения, существенно
йлияющи^нахоКруЖающий вид, id их
архитектурной форме предъявляются
серьезные требования.
Сейчас можно выделить два направ-
ления в развитии башенных- и мачто-
вых конструкций: унификация конст-
рукций дли рядовых сооружений мас-
сового применения и создание уникаль-
ных сооружений, которые обеспечива-
ли бы высококачественное многопро-
граммное телевидение, выполняли до-
полнительные функции и отвечали бы
эстетическим требованиям.
Одной из первых в нашей стране
уникальных стальных башен явилась
телевизионная башня высотой 315 м,
построенная в 1962 г, в Ленинграде
(рис.-XVIДа). Для увеличения ее го-
ризонтальной жесткости трубчатые
раскосы шестигранного ствола в про-
цессе монтажа подвергались предва-
рительному растяжению.
Опора Тбилйсского телецентра (рис.
XVI.5, 6) высотой 274,5 м до отметки
155 м выполнена в виде трехграииой
пространственной пирамиды, образо-
ванной вертикальным стволом диамет-
ром 4 м .и двумя наклонными трубча-
тыми црясами, связанными между'со-
бой системой распорок из труб и раско-
сов из канатов. В схеме башни .исполь-
зуется принцип совмещения функций
несущих и ограждающих конструкций.
Вертикальный пояс, переходящий вы-
ше отметки 163 м в антенну из труб
диаметром 3,2...0,72 и, служит одно-
временно шахтой лифтов.
В Ереванской телевизионной башне
высотой 299,1 м (рис. XVI.5, а) шахта
лифтов отхватывается пирамидальной
центральной частью, пояса которой из-
за больших усилий выполнены из про*
странственных трехгранных элементов
Отличительная особенность башни—
предварительное натяжение раскосой
в панелях пирамидальной части.
Сооружением, обогатившим практику
высотного строительства, является
191
зщо
1зш
Рис. XVI.5. Схемы башев телецентров:
а — Ленинградского; б — Тбилисского; в — Ереванского; г — Киевского; д — Харьковского
башня Киевского телецентра высотой
380 м (рис. XVI.5, г). При ее возведе-
нии был впервые применен метод под-
ращивания, заключающийся в том, что
монтаж башни ведется на нижней от-
метке, начиная с ее верхних ярусов. По
мере сборки готовые ярусы выдвига-
ются домкратными установками вверх
и подращиваются конструкциями рас-
положенных ниже ярусов, Преимуще-
ство такого монтажа — исключение тру-
доемких работ по сборке конструкций
на высоте. Выбранным способом мон-
тажа продиктована конструктивная
схема башки: ступенчатая схема приз-
матической решетчатой части и ци-
линдрической антенны; база порталь-
ного типа, охватывающая решетчатый
ствол башни.
В башне Харьковского телецентра
(рис. XVI.5, д) применена конструкция
базы, обеспечивающая надежную ра-
боту на слабых грунтах. Решетчатый
ствол обладает свободой вертикальных
перемещений внутри охватывающей его
обоймы. В результате обеспечивает-
ся независимая передача на фундамен-
ты базой и стволом реакций от го*
ризонтальных и вертикальных нагру*
зок.
192
Эава XVII. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Й ЭКОНОМИКИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЯ
tVILI. ОСОБЕННОСТИ
ПРОЕКТИРОВАНИЯ
| При проектировании зданий и соору-
жений применение металлических кон-
струкций должно быть увязано с тре-
бованиями «Технических правил по
Экономному расходованию основных
Строительных материалов» ТП 101-81
Госстроя СССР. Использование ме-
•таллических конструкций в связи с
необходимостью экономии металла
должно быть обосновано?
Проектирование металлических кон-
струкций осуществляется в две ста-
дии: проектное задание, в котором
Определяется целесообразность приме-
нения металлических конструкций
И устанавливается принципиальная
конструктивная схема, и рабочие чер-
тежи. В свою очередь рабочие чертежи
^Делятся на проект КМ (конструкции
Металлические), который выполняется
Специализированной проектной органи-
|^^ёй, и проект КМД (конструкции
Металлические, деталировка), который
обычно разрабатывается в конструк-
торских отделах заводов металлических
|к6иетрукций с учетом имеющегося на
заводе металла и оборудования.
В проекте КМ осуществляются ста-
тические и динамические расчеты, раз-
рабатываются общие компоновочные
^чертежи и решения узловых сопряже-
ний, составляется сводная специфика-
ция на металл. Проект КМ служит
^снованием для составления детали-
ровочных чертежей КМД и заказа ме-
талла.
Проект КМД должен содержать все
необходимые данные для изготовле-
ния и монтажа конструкций.
Многовариантность задач проекти-
рования, изготовления и монтажа ме-
таллических конструкций выдвигает в
качестве основных средств 4 решения
комплексную автоматизацию проекти-
рования конструкций с привлечением
методов оптимального проектирования.
XVII.2. ОПТИМАЛЬНОЕ
ПРОЕКТИРОВАНИЕ
Под оптимальным проектированием
понимается назначение характеристик
конструкции, при которых она по ка-
кому-то определенному показателю бу-
дет наилучшей из всех конструкций
такого же класса. Показатель качества
конструкции, к которому стремятся,
называется критерием оптимальности.
Характеристики конструкции, влия-
ющие на качество проектного реше-
ния, называются параметрами проек-
тирования.
В качестве критериев оптимальности
строительных металлических конструк-
ций обычно принимается минимум за-
трат металла или стоимости изготов-
ления, возведения и эксплуатации кон-
струкций.
Параметры строительных объектов,
влияющие на их качественные показа-
тели, на разных этапах проектировав
ния очень разнообрази^!. Например,
при компоновке конструктивной схемы
параметрами проектирования являют-
ся: генеральные размеры сооружения
(пролет» высота,, шаг колонн и т. д.),
типы конструктивных элементов
(сплошные или сквозные колонны, бал-
ки или фермы и т. п.). При переходе
от конструктивной схемы к расчетной
параметрами проектирования являют-
ся типы узловых сопряжений (шарнир-
ное, жесткое, упругое), величина пред-
варительного напряжения и др. Мож-
но применять различные марки стали»
назначать разное число типоразмеров
элементов, использовать всевозможные
виды заводских и монтажных соеди-
нений. При изменении всех этих па-
раметров будут изменяться масса .кон-
струкции, ее стоимость, трудоемкость
^Йготовления и другие показатели ка-
чества.
Параметры проектирования не могут
быть назначены произвольно — кон-
струкции должны удовлетворять усло-
виям прочности, устойчивости, долго-
вечности, нормальной эксплуатации.
Кроме того, учитываются условия из-
готовления и монтажа (технологиче-
ские требования), а также возможные
конструктивные ограничения (наличие
профилей проката на заводе-изготови-
теЛе, допустимое число типоразмеров
однотипных элементов и т. д.). Пере-
численные условия называются огра-
ничениями. \
Ограничения всегда могут быть за-
писаны в виде различных уравнений
или неравенств. Например, ограниче-
ния по прочности, вытекающие из
основного предельного неравенства
(П.2), выражают требование, чтобы на-
пряжения в любом элементе не превы-
шали расчетных сопротивлений: о<
< Rifle. Требования устойчивости за-
ключаются в тоМ, чтобы действующие
напряжения не превышали критиче-
ской величины: о< Осг. Ограничения по
дефЬрмативности, вытекающие Из ос-
новного предельного неравенства (П.З):
где f—прогиб от нагрузок,
[f] — предельный прогиб по нормам.
’ Разнообразный характер имеют кон-
структивные Ограничения. Можно, на-
пример, потребовать, чтобы толщины
листов не превышали имеющихся в
наличии толщин проката.
Число- параметров проектирования
обычно оказывается бблыпим, чем ко-
личество ограничений, и поэтому часть
неизвестных параметров можно назна-
чать достаточно свободно. Из возмож-
ного. множества свободных параметров
имеет смысл выбрать такие, которые
позволяют достичь какой-нибудь опре-
деленной -экономической цели, напри-
мер уменьшения веса, снижения стои-
мости конструкции или трудоемкости
ее изготовления й монтажа, т. е. до-
стичь критерия оптимальности. Имен-
134
но это и составляет суть оптимального:
проектирования конструкций. ;;
Для решения задач оптимального
проектирования применяются различ-
ные формальные методы поиска мини*
мума (или максимума) функций. Для
того чтобы представить задачи проек|
тнрования конструкций в математичек
ской форме, все ограничения и крите^
рий оптимальности выражаются через!
свободные параметры проектирования^
Критерий оптимальности, выраженный
через параметры проектирования, нд|
зывают функцией цели. ’
В качестве простого примера приае*
дем функцию цели, соответствующую
критерию минимума массы балки дву|
таврового составного сечения (см. рйсц
V.7), Для этого нужйд н^^^ маЬсч
балки через нар<М£Трй ее
высоту и толщину стенки К» и У»,
рину и толщину поясов Ь и ift
G == (M- + 2Wf)7p„ (XVW^
где /—длина балки, р — плотность сйй/и.
Если задача заключается вопределе-
нии параметров сечения балки, у кото-
рой стенка й пояса изготавливаются
из различных марок стали, имеющие
разную стоимость, то в качестве кри-
терия оптимальности следует принимал
минимум стоимости балки, и функция
цели будет иметь следующий вид:
С = (Vu-ci + 2Wzc2) /р, (XVII.2;
где ci и с2 — стоимость тонны стали I
стенке и поясах.
Может возникнуть такая ситуация
когда при назначении сечения балке
нужно учитывать стоимость восстанов-
ления защитных покрытий в теченш
срока эксплуатации, зависящую <у
поверхности балки. Тогда функция це
ли будет иметь вид
С = (M«ci + 26/fCj) /р + (2Л» + 46) /с8
(XVIL3
где cs — затраты на окраску 1 м2 по
верхности балки за весь срок эксплу
атации. 7’
ШИослё того как доставлены функция
Ввели ти Система ограничений, задача
^оптимального проектирования форму-
лируется следующим образом: опреде-
Э^гь-такие значения неизвестных сво-
Шушых параметров конструкций^ чтобы
Пункция цели цри наличии ограниче-
ний достигала минимума (или ма&д-
Шума). .Возможны задачи, когда все
^искомые параметры свободны, т. е. не
^связаны ограничениями, например, оп-
ределение наиболее выгодной высоты
' балки hopt (см. § V.6).
г XVII.3. АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ
ПРОЕКТИРОВАНИЕ
. Возможность представлять технико-
экономические задачи проектирования
в форме математических задач откры-
вает широкие перспективы для авто-
матического проектирования строитель-
ных конструкций на ЭВМ.
На современном этапе проектирова-
ния наряду с такими традиционными
.возможностями улучшения технико-
экономических показателей строитель-
ныхметаллических конструкций, как
применение более совершенных мате-
фмалов. более точных методов расчета,
^^ектнвных конструктивных форм,
варсным резервом становится сама ор-
процесса проектирования,
применению вычислитель-
ной т^Хникя’ она приобретает совер-
шенно новые 'формы.
. ' Сейчас применение ЭВМ уже выхо-
дит за рамки автоматизации расчета
усилий или деформаций в конструк-
циях. Оно нацелено на комплексную
-; автоматизацию проектирования, вклю-
чающую все его этапы — от компонов-
ки конструктивной схемы сооружения
{ до машинного вычерчивания комплек-
са-рабочих чертежей на графопостро-
^ТЙВлЯх и составления технической спе-
" щяфикации стали и смет.
'Преимущества автоматического про-
ектирования заключаются не только в
Повышении производительности труда
НфЙктнровщиков, но и в повышении
качества проектных решений и сниже-
нии расхода металла на конструкцию
до 10—15% за счет возможности про-
работки большего числа вариантов с
ббльшей тщательностью.
Объекты, средства и методы комп-
лексной автом атизации проектирования
объединяются в системы автоматизи-
рованного . проектирования. (САПР),
которые разрабатываются различными
проектными и научно-исследователь-
скими организациями. Система авто-
матизированного проектирования стро-
ительных металлических конструкций -
общего и специального назначения
(САПР —ЦНИИПСК) разрабатывает-
ся институтами ЦНИИПроектсталькон-
струкцня им. Н. П. Мельникова я
УкрНИЙПроецтстальконструкция. Ки-
евским инженерно-строительным . ин-
ститутом разрабатывается САДР-КМД.
В составе САПР разрабатываются
отдельные функциональные подсисте-
мы [12], предназначенные для проек-
тирования разных-объектов или реше-
ния-различных задач проектирования.
Некоторые подсистемы и задачи пер-
вой очереди САПР — ЦНИИПСК по-
казаны на рис. XVII.1. Комплексную
разработку САПР ведет НИИАСС
Госстроя УССР.
При проектировании конструкций
Могут быть использованы различные
режимы функционирования САПР: без
участия человека на промежуточных
этапах или с оперативным вмешатель-
ством человека в работу программы
(диалоговый режим). В перспективе
автоматизация проектирования преду-
сматривает создание сети вычисли-
тельных центров, соединенных линия-
ми связи с периферийными устрой-
ствами, которыми оборудуются рабо-
чие места инженеров-проектировщиков.
XVIU. основы экономики
МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЯ /v4*
Прн выборе материалов и видов ме-
таллических конструкций гражданских
и промышленных зданий, помимо обес-
195
Рис. XVII.I. Подсистемы и задачи САПР — ЦНИИПСК
'
J
-J
печения архитектурно-планировочных
и технологических требований, прочно-
сти и устойчивости сооружений, весьма
важно определение уже на первона-
чальной стадии проектирования техни-
ко-экономических показателей конст-
руктивных решений [9].
Стоимости мотяппическнг конструк:
ций складывается из стоимости основ-
ного материала—металла, стоимости
изготовления конструкций и стоимости
их монтажа. Помимо этих показателей
в стоимость металлических конструк-
ций входят также затраты на проекти-
рование и на транспортировку конст-
рукций от завода-изготовителя до мес-
та строительства.
Примерное распределение стоимости
^металлических конструкций по от-
дельным составляющим может быть
^представлено в следующем виде, %:
Стоимость проектирования — 2—3, сто-
имость стали и других материалов —
63—73, стоимость изготовления — 16—
22, стоимость транспортных расхо-
дов — 3—7, стоимость монтажа конст-
рукций — 5—20.
Для определения стоимости 1 т из-
готовленной металлоконструкции (с
учетом стоимости, и транспортных рас-
ходов). можно пользоваться прейску-
рантом цен № 01-22, изданным в
1981 г., в котором стоимости указыва-
ются только для одной, базовой, ме-
таллической конструкции, выполнен- $
ной из обычной полуспокойной угле-1
родистой стали марки ВСтЗпсб. Прейс- л
курант делится на’ 4 час»й:' в первой"!
даются оптовые цейы на конструкции i
специального производства, во вто-!
рой — на конструкции, изготавливав":
мые по типовым чертежам КМД, в
третьей — на конструкции, изг-сй*авяй-
ваемые по чертежей КМ, и в'четвер-
той — на многослойные облегченные
ограждающие конструкции. В табл.
XVII.1 и XVII.2 приведены некоторые
значения цен на стальные конструк-
ции, наиболее часто встречаемые в
объектах городского строительства и
принятые по данным III и IV частей
прейскуранта. При применении в кон- .
струкциях иных марок сталей к стой-'
мости конструкции из стали ВСтЗпсб
производят доплаты, размеры которых
приведены в табл. XVII.3 (табл. 1
прейскуранта № 01-22). Стоимости
1 т конструкции Ск с учетом возмож-
ности использования различных марок
сталей и Включая транспортные рас-
ходы на перевозку конструкции от за-
вода до места монтажа могут быть
определены из следующего выраже-
ния:
Ск = Цп + ДстКотЧ- Дт, (XVII .4)
где Цп —оптовая цена 1 т металлокон-
струкций по прейскуранту № 01—22-
Таблица XVH.I
№ по прейс-. куранту Наименование конструкций Оптовая цена, Луб., за 1 т стальных конструкций из стали мар- ки ВСтЗпсб ’ Груцца по- ' грузки № по прейс-! куранту Наименование конструкций Оптовая цена, руб., за 1 т стальных конструкций из стали мар- ки ВСтЗпсб Группа ПО’ I грузки
зон 301-2 301-3 301-4 301-5 301-6 30Ы0 301-11 301-12 301-13 301-14 301-15 301-17 301-42 \ 304-1 ш-г ЗО4-3 304-4 304-5 Одноветвевые колонны одноэтажных промышленных зданий Составного сечения из листовой стали при массе 1 м, т: до 0,10 0,101—0,15 0,151—0,20 0,201—0,25 0,251—0,30 0,301—0,40 Из двутавров с парал- лельными гранями полок при массе 1 м, т: До 0,10 0,101—0,15 0,151—0,20 0,201—0,25 0,251—0,30 более 0,30 Составного сечения из горячекатаных профи- лей, / соединенных план- ками или листом Доплата за монтажные соединения на фланцах и высокопрочных болтах Стропильные фермы пролетом 18-—48 м Из спаренных уголков 4 массой' 1 м, т: до 0,10 0,101—0,125 0,126—0,15 0,151—0,175 0,176—0,20 263 258 251 246 242 237 255 251 250 248 249 248 249 7,4 259 250 241 ' 235 232 4 4 4 4 3 3 4 4 4 4 3 3 3 6 6 5 5 5 304-16 304-17 304-18 304-19 304-20 304-32 304-33 304-34 304-35 304-36 308-1 308-2 309-18 309-19 309-20 309-24 ||309-25 С поясами из двутавров с параллельными граня- ' ми и решеткой из гнуто- сварных профилей массой 1 м, т: до 0,10 0,101—0,125 0,126—0,15 0,151—0,175 0,176—0,20 Из круглых труб массой 1 м, т: до 0,10 0,101—0,125 0,126-0,15 0,151—0,175 0,176—0,20 Прогоны Пролетом 6 м из швел- леров и двутавров Пролетом 6 м из гнутых профилей Балки перекрытий Составного сечения из листовой стали, при опи- рании настила на верх- ний пояс и массе отпра- вочной марки, т: до 1 . 1,01—3 более 3 Из двутавров с парал- лельными гранями при массе отправочной мар- ки, т: до 1 более 1 284 277 270 265 263 - 300 291 282 279 274 203 217 249 239 228 243 242 6 6 6 5 5 6 6/ 5 5 5 1 1 1 1 1 1 J
(табл. XVII. 1 и 2), Дст — доплата за
марку стали в случае ее отличия от
базовой, т. е. марки ВСтЗпсб; Кст —
доля массы стали рассматриваемой кон-
струкции, отличной от базовой; Дт—
стоимость транспортирования 1 т еталь-
йых конструкций по железной дороге
(Табл. XVII 4).
Установив из выражения (XVII,4)
Ск, переходят к определению общей
стоимости конструкции с учетом стои-
мости ее монтажа, или стоимости кон-
струкции «в деле»:
Свд = (Ск + См)Мк, (XVII.5)
где См — стоимость монтажа 1 т кон-
струкции; Мк — масса конструкции, оп-
ределенная по выполненному проекту,
197
Таблице/XV П.2 J
№ до прейс-. куранту Наименование, тип, марка, способ изготовления гост, ту Группа погрузки Оптовая Цена. руб.—КОП., -> за 1 м« многослойных. облегченных ограждающих конструкций
Панели трехслойные стеновые с обшивкой из стального оцинкованного листа толщиной 8 мм и утеплителя из пенополиуретана Рядовые, способ изготовления непрерывный
401-1 2ПТС-Ь988.50-С0,8 ГОСТ 23486—79 5 14—70
401-2 2ПТС-Ь-988.80-С0,8 ГОСТ 23486-79 5 17—80
401-3 1ПТС-Ы016.61,6-С0,8 Способ изготовления стендовый ГОСТ 23486—79 5 15-70
401-4 1ПТС-Ы016.61.6-С0.8 ГОСТ 23486—79 5 15—70
401-8 ЗПТС-L-1040.100-С0,8 Панели кровельные двухслойные с обшивками ив профилированного стального оцинкованного листа толщиной 1,0 мм, высотой гофра 60 мм и пенополиуретана ГОСТ 23486—79 5 21—00
401-11 ПК-60-40 ТУ 67-86-75 с из- менением № 3 5
401-12 ПК-60-60 ТУ 67-86-75 с из- менением № 3 .5 Юч» -4
401-13 ПК-60-80 То же, с высотой гофра 80 мм ТУ 67-86-76 с из- менением № 3 5 18—20
401-17 ПДС-1.Х66Х 13X1 ТУ 67-86-75 С из- менением № 3 5 17—00
4)149 ПДС-ЬХ66Х16Х1 ТУ 67-86-75 с из- менением № 3 " 5 21-00
по разработанным вариантам или при-
нятая по аналогичным конструкциям.
Так как стоимость монтажа в сред-
нем составляет 15 % стоимости кон-
струкции, то формула (XVTI.5) может
быть упрощена:
Скд= 1,15СкМк. (XVII.6)
При рабочем проектировании следует
определять приведенную стоимость
стальной конструкции, т. е. с учетом
капитальных вложений на стадии изго-
товления конструкции.
Тогда
Спр = Скд + 0,12К„Мк. (XVII.7)
Здесь 0,12—постоянный нормативный
коэффициент сравнительной эффектив-
ности капитальных вложений; Кп —
приведенные' удельные капитальные
вложения, руб. на 1 т конструкций.
Стоимости стального проката при-
ведены в прейскурантах цен на метал-,
лические конструкции: № 01—08— на
стальной фасонный прокат, № 01—
09 — на специальные виды проката и
№ 01—10— на листовой прокат. Поль-
зоваться этими данными следует в
случае определения стоимости конст-
рукций, не предусмотренных прейску-
рантом цен № 01—22.
В табл. XVII.5 даны стоимости 1 т.
листовой горячекатаной стали толщи-
ной 9—12 мм. Стоимости зависят не
только от марки стали, но и от вида
проката, его толщины и общих разме-
ров. Чем тоньше прокат и меньше его
размеры, тём он дороже.
198
• Ж <
По прейс-
куранту
I
а
Б
6
7
8
9
10
21
24
29
30
Марка ст!
Доплаты
№
по прейс-
куранту
Марка стали
Доплаты
Дет» РУ6-
ВСтЗкп2
ВСтЗпсв
ВСтЗспб
ВСтЗГпсб
ВСтЗкп2-1
ВСтЗпсб-1
ВСтЗпсб-2
ВСтЗсп5-1
ВСтЗГпс5-1
ВСтЗГпс-2
09Г2-9
09Г2С-9
09Г2-9-1
09Г2-9-2
—8
База
+13
6
+ •
--6
+ 19
+5
+ 12
--41
+42
--43
+49
35
36
41
42
44
46
48
49
56
09Г2С4М
09Г2С-9-2
14Г2-6
14Г2-12
10Г2С1-9
10Г2С1-15
10Г2С1Д-15
15ХСНД-9
15ХСНД15
10ХНДП-6
10Г2С1-6 т/у
10Г2С1-9 т/у
+44
+50
—24
--28
--44
+49
+53
+75
+58
--71
Примечание, т/у — термоупрочненные
стали.
Таблица XVIL4
к
Расстояние, км Стоимость тонны конструкции по группе погрузки, руб.
1 2 3 4 5 в 7
100 2,1 23 2,7 3,1 3,8 4,3 8,5
101—200 2,7 2,9 3,4 3,9 4,8 5,4 10,7 -
201—300 3,2 3,5 4,2 4,7 5,8 6,5 13,0
301—600 5,0 5,4 6,4 7,1 8,9 9.9 20,0
601—800 6,1 6,7 7,9 8,8 11,0 12,2 24,4
801—1000 73 7,9 9,4 10,5 13,1 14,5 29,1
1901—1200 8,4 9,2 10,8 12,Г 15,2 16,8 33,7
1201—1500 10,1 11,1 13,0 14,6 18,2 20,3 40,6
1501—1800 11,8 12,8 15,1 16,9 21,2 23,5 47,0
<801-2100 13,5 14,8 17,4 19,5 24,3 27,0 54,1
* 2101—2500 15,8 17,3 20,4 22,8 28,5 31,7 63,3
Таблица XVI1.5
V \ Марка ГОСТ Стоимость 1 т, руб. Марка ГОСТ Стоимость 1 т, руб. ”
-ЩЗап 14637—79 - 116 09Г2Д 19282—73 151
СтЗпс 14637—79 121 09Г2С 19282—73 148
СтЗГпс 14637—79 123 10Г2С1 19282—73 149
СтЗсп 14637—79 127 15Г2СФ 19282—73 158
18пс 23570—79 137 14Г2АФ 19282—73 169
18Гпс 23570—79 142 16Г2АФ 19282—73 173
18сп 23570—79 148 10ХСНД 19282—73 218
09Г2 19282—73 147 10ХНДП 19282—73 194
14Г2 19282—73 143 15ХСНД 19282—73 175
Описанный метод определения стои-
мости применяется для стальных кон-
струкций. Методика определения стои-
мости конструкций из алюминиевых
сплавов недостаточно разработана.
В прейскуранте № 01—23 даны опто-
вые цены на конструкции окон, дверей,
витражей, витрин и декоративно-обли-
цовочные конструкции из алюминиевых
сплавов. Стоимость алюмнииевых-кон-
струкций «в деле» выше стоимости
аналогичных стальных. Их примене-
ние должно быть всесторонне обосно-
вано.
199
приложения
Приложение I
Двутавровые балки (ГОСТ 8239—72)
Номер । балка 1 Размеры, мм Площадь, сечения» см1 Масса 1 м, кг см4 V*, см’ см sx. см’ см4 ** СМ’ СМ
• h ь d t Я
10 100 55 4,5 7,2 7 12 9,46 198 39,7 4,06 23 17,9 6,49 1,22
12 120 64 4,8 7,3 7,4 14,7 11,5 350 58,4 4,88 33,7 27,9 8,72 1,38
14 140 73 4,9 7,5 8 17,4 13,7 .572 81,7 5,73 46,8 41,9 11,5 1,55
16 160 81 5 7,8 8,5 20,2 15,9 873 109 6,57 62,3 58,6 14,5 1,7
18 180 90 5,1 8,1 9 23,4 18,4 1290 143 7,42 81,4 82,6 18,4 . 1,88
20 200 100 5,2 8,4 9,5 26,8 21 4840 184 8,28 - 104 115 23,1 2,07
Примечание. 1 — момент инерции; W— момент сопротивления; S — статический момент
волусечения; I — радиус инерции.
200
Приложение 2
Двутавры с параллельными гранями полок
(ГОСГЯ|020—83)
№ про- филя Размеры» мм Площадь попереч- ного сечения» см’ Масса 1 м дли- ны» кг Справочные величины для осей
h b S t X — X У~У
Zx> см4 <. х, см’ (г, см Sx, см’ iy> см4 W Уу см’ *0» см
аоБ1 198 100 5,2 7,6 25,7 20,2 1730 174 8,19 98,7 127 25,4 2,22
20 БЗ 202 100 5,6 9,6 30,6 24 2150 213 8,39 121 162 32,* 2,31
23Б1 227 110 5,4 7,9 30,1 23,6 2660 234 9,41 132 176 32 2,42
23БЗ 232 но 5,8 10,2 36,1 28,3 3370 -290 9,67 164 229 41,6 2,52
26Б1 257 120 5,6 8,5 35,3 27,7 4020 312 10,7 176 246 40,9 2,64
26БЗ 262 120 6,1 10,8 42,2 33,1 5020 383 10,9 216 316 52,4 2,74
30Б1 297 140 5,8 8,5 41,5 32,6 6320 424_ , 12,3 239 390 55,7 3,06
ЙБЗ 302 140 6,3 10,8 49,5 38,8 7880 521^ 12,6 293 500 71,2 3,18
Ж1 346» 155 6 . 8,8., - 48,7 ... 38,2 10Q00 577 14 ‘ 325 547 70,6 3,35
352 395 J55 Гел 11^ _4Д7 12930 734 14,7 _4И^ _ _735 94А5 J,52.
165 6,8 9,8 60,1 47,2 15 81Q 799 16,2 4бГ 736 89,2 3,5
402 165 7,4 13,1 73,4 57,6 20 Ш 1020 16,71 573 994 120 3,68
St 445 180 7,6 И .74,6 58,5 24690 1110 18,2\ 629 1070 119 3,79
W Ш 8,3 14,7 91 71,5 31 950 1410 18,7) 797 1 450 160 3,99
:®Ы ы? 215 9,2 13,7 ПО 86,3 54480 2000 22,3( ИЗО 2 280 212 4,55
553,2 215 10 17,7 132 103 68^80 2480 22,8 1400 2 970 275 4,75
59^2 230 10 15,4 131 ЮЗ 7^30 2610 1480 3 130 272 4,88
60 БЗ 603 231 И 20 159 124 98 230 3260 24,9 1840 4 120 357 5,1
70Б1 . 693 260 Н,5 15,5 162 127 125 800 3630 27,9 2080 . 4 550 350 5,31
70БЗ 705 260 12 21,5 196 154 165 440 4690 29 2650 6 350 488 5,69
80Б2 800 270 13 21,4 220 173 230 280 5760 32,4 3290 7 040 522 5,66
Ш2 900 310 14,3 22 266 209 351 380 7810 36,3 4470 10 960 707 6,41
100Б1 990 320 15,5 21 289 227 442 460 8940 39,1 5180 11 510 720 6,31
100Б4 1014 323 18,6 33 397 312 662 170 13 060 40,8 7500 18 620 1150 6,85
Ши 192 150 5,8 8,5 37,1 29,1 2510 261 8,22 145 479 63'9 3,59
Ши 194 150 5,8 9,6 40,4 31,7 2 810 290 8,34 161 541 72,1 3.66
231Щ 221 155 6,3 9,5 43,9 34,4 3 890 352 9,42 196 591 76.2 3,67
20]
Продолжение прил. 2
№ про- филя Размеры, мм Площадь попереч- ного се- чения. СМ* Масса 1 и длины, кг Справочные величины для осей ,7
Л Ь S t х—х /v—у
1х* см4 W’x. СМ* ?х* СМ CM* !y, CM4 CM*
23Ш2 224 155 6,5 11 49 38,4 4480 400 9,57 223 687 88,5 3,74
26Ш1 251 180 6,8 10,2 .54,6 42,8 6280 501 10,7 278 993 110 4,27
26Ш2 254 180 7,1 11,6 60,4 47,4 7130 562 10,9 312 1130 126 4.34
30Ш1 291 200 7,5 11,2 67,7 53,2 10460 719 12,4 399 1500 150 4,70
30Ш2 295 200 7,7 13 75,5 59,3 12040 818 12,6 454 1740 174 4,80
35Ш1 330 250 8,5 12,8 94 73 А 19930 1180 14,6 651 33^0 267 5,96 >>
35Ш2 341 251 9,4 14 103 80,9 219& 1290 14,6 716 3960 294 5^
40Ш1 388 300 9,5 14,2 124 97 34850 1790 16,8 988 4 6400 426 7,19|
40Щ2. 392 300 95 15,8 133 105 38500 1970 17 1080 474 я!
50Ц1Г' 300 10,4 143 112 60510 2509 J20.6 1390 676Q« 4»
50Ш2 ’499 300 10,4 (17|р 160 125 70470 2880 ^21— ,1590
60Ш1 579 320 11,6 Г[7) 179 140 106520 3680 24,4 2050 9800
60Ш2 585 320 11,6 19,6 195 153 120610 4130 24,8 2290 10720
70Ш1 683 320 12,8 19,2 213 167 171660 5030 28,4 2830 10516 657 7,02
7Ш12 689 320 13,1 22,4 236 185 196590 5700 28,9 3200 12290 768 7,22
80Ш1 779 340 14,5 21 258 203 265170 6810 32 3850 13790 811 7,3
80Ш2 786 340 14,5 24,5 282 222 301630 7670 32,7 4320 16090 946 7,55
20KI 194 200 6,3 9,8 51,7 40,6 3730 383 8,49 211 1310 131 5,03
20К2 197 201 6,9 11,2 58,4 45,9 4300 436 8,58 241 1510 150 5,08
23К1 223 240 6,7 104 65,1 51,1 6260 562 9,8 307 2400 200 ^6,07:
23К2 224 240 7,2 11,2 70,1 55 м , 6780 605 . 9,84 332 2600 216 6,09^
26К1 252 260 7 11 75,5 593 9330 f?39 11,1 404 3220 248 6,53
26К2 255 261 W 12,4 845 66,6 10610 831 11,2 457 3670 281 6,58
30К1 296 300 8,5 13,5 107 83,7 17970 1220 13 666 6080 405 7Д&
30К2 298 301 9,2 14,6 115 90,5 19580 1310 13 723 6620 440 И
35К1 343 350 9,3 15 138 108 31430 1830 15,1 1000 10720 613 8,83’
35К2 347 351 105 16,8 154 121 35590 2050 15,2 изо 12140 691
40К1 393 400 10,8 16,2 173 136 5141Q 2620 17,3 1430 17290 864 •лгй
40 К2 397 401 11,4 18,2 191 150 57950 2920 17,4 1600 19510 974 iois
202
V
&
£
г s' ’ —X Приложение 3
1' ' s Ши Церы (ГОСТ 8240-72) а
- '>. -
-
М Размеры, мм
Г'# Масса Г м, кг Площадь см с СМ* IF lv> см
м сечения, СМ* лг, см* Xt см* °ж, см* У» СМ* см.
ся * h b d t Я
4,84 50 32 4,4 7 6 6,16 22,8 9,1 1,92 5,59 5,61 2,75 0,954 1,16
к 5,9 65 36 4,4 7,2 6 7,51 48,6 15 2,54 9 8,7 3,68 1,08 1.24
₽ 7,05 80 40 4,5 7,4 6,5 8,98 89,4 22,4 3,16 13,3 12,8 4,75 1,19 1,31
|10 8,59 100 46 4,5 7,6 7 10,9 174 343 3,99 20,4 20,4 6,46 1,37 1,44
|12> 10,4 120 52 43 7,8 7,5 13,3 304 50,6 4,78 29,6 31,2 8,52 1,53 1,54
„Ж 140 58 4,9 8,1 8 15,6 491 70.2 5,6 to, 8, 45,4 11 1J 1,67
нЮЙЙ^-jv* НО 62 43 8.7 8 17 545 77,8 5,66 45,1 57,5 13,3 1,84 137
*мд нН 64 5 8,4 8,5 18,1 747 93,4 6,42 54,1 63,3 13,8 1,87 13
Ж .6* -JL1 9 _8,5 19,5 823 103 6,49 7,24 59,4* 68,8 78,8 16,4 2v
ЕЖ'; Чв,з 70 5,1 87 9 20,7 1090 121 86 17 2,04
ЕЛМ .0 74 5,1 9,3 9 223 1190 132 7,32 78,1 105 20 2,18 2,13
Вй л«£ г '^! и 200 /;Ж 5,2 .9 - -'Z-. 9,5 23,4 1520 152 8,07 87,8 113 20,5 2,2 2,07
ЯН.- Г -v*" ' 200 ВО .5Д 9,7 9,5 25,2 1670 167 8,15 95,9 139 245 2,35 2,28
ЙЙ 220 82 5,4 .9,5 io 26,7 2110 192 8,89 ПО 151 25,1 2,37 2,21
|>э|и1 22,6 220 87 5,4 10,2 10 28,8 2330 212 8,99 121 187 30 2,55 2,46
24,. gw*» ' 24 240 . < 90 5,6 10 10,5 30,6 2900 242 9,73 139 208 31,6 2,6 2,42
$&: 25,8 240 >95 5,6 10,7 10,5 32,9 3180 265 9,84 151 251 37,2 2,78 2,67
fc- 27,7 270 95 6 10,5 _ 11 35,2 4160 308 10,9 178 2р2 37,3 2,73 2,47
§И^ 31,8 300 100 6,5 11 12 40,5 ; 5810 387 12 224 327 43,6 2,84 2,52
£>/< 36,5 330 105 7 11,7 13 46,5 7980 484 13,1 281 410 51,8 2,97 2,59
41,9 360 110 7,5 12,6 14 53,4 10 820 601 14,2 350 513 61,7 3,1 2,68
IT* ,: 48,3 400 115 8 13,5 15 61,5 15220 761 15,7 444 642 73,4 3,23 2,75
L 1 Прям ечание !. 2,- ~ расе :тоянж i ОТ ОСИ у — у до наруж ной гр 1ЭНИ с тенкк.
203
1 О • Приложение 4 л
я f » • , ... .к X X Л
cw" " JU th? я
6 и Г Сталь прокатная угловая равнополочная (ГОСТ 8509—72)
V, ...« Vs
Размеры уголка, мм Площадь сечения, см* Масса 1 м, кг Расстоя- ние цент- ра тяжес- ти гв, см Ось х — х Радиусы инерции iff для двух уголков при мм
Ь d 1*, Gf, см 8 10 12
45 4 5 3,48 4,29 2,73 3,37 1,26 1,3 6,63 8,03 1,38у* ^^,37' —-Л.у, . 2,16 2,18 2,24 2,26 ‘‘2.32 "J 2,34- J
50 5 4,80 3,77 1,42 11^ 1,53 2,38 •• А 2,45 2,53 J
68 4 5 6 4,96 6,13 7,28 3,9 4,81 5,72 1,69 1,74 1,78 18,9 23,1 27,1 1,95 1,94 1,93 2,91 2,93 2,96 . \.з,оН| 3,06
2^ "бг 6,86 8,15 5,38 6,39 1,9 1,94 31,9 37,6 2,16 2,15 3,16 3,18 3,23 3,25 3,30 > 3,33 z
75 5 6 7,39 8,78 5,80 6,89 2,02 2,06 39,5 46,6 2,31 2,3 3,35 3,37 3,42 3,44 3,49 3,52
90 6 7 10,6 12,3 8,33 9,64 2,43 2,47 82,1 94,3 2,78 2,77 3,97 3,99 4,04 4,06 4,11 4,13
100 7 8 10 13,8 15,6 19,2 10,8 12,2 15,1 2,71 2,75 2,83 131 147 179 3,08 3,07 3,05 4,38 4,4 4,44 4,45 4,47 4,52 4,52 4,54 4,59
125 9 10 22 24,3 17,3 19,1 3,4 3,45 327 360 3,86 3,85 5,41 5,44 5,48 5,52 5,56 5,58
140 9 10 24,7 27,3 19,4 21,5 3,78 3,82 466 512 4,34 4,33 6,02 6,05 6,1 6,12 6,16 6,19
160 10 12 31,4 37,4 24,7 29,4 4,3 4,39 774 913 4,96 4,94 6,84 6,88 6,91 6,95 6,97 7,02
180 11 12 38,8 42,2 30,5 33,1 4,85 4,89 1216 1317 5,6 5,59 7,67 7,69 7,74 7,76 7,81 733
204
Размеры уголка, мм Площадь сечения, см’ Масса 1 м, кг Расстоя- ние центра тяжести Ось х ~*х Ось д — 9 Радиусы инер- ции 1х для двух уголков при /, мм (рис. а) Радиусы инер« ции iy для двух уголков при t, мм (рис. б)
В ь d ем Хд» см !xt см* {Х, см 1У> см* СМ 8 10 12 8 10 12
36 4 3,58 2,81 1,82 0,84 11,4 1,78 3,7 1,02 1,6 1,68 1.76 2,85 2,93 3,01
66 5 4,41 3,46 1,86 0,88 13,8 1,77 4,48 1,01 1,63 1,71 1,79 2,87 2,95 3,03
70 45 5 5,59 4,39 2,28 1,05 27,8 2,23 9,05 1,27 1,93 2,01 2,08 3,49 3,56 ',64
50 , 5 6,11 4,79 2,39 1,17 34,8 2,39 12,5 1,43 2,12 2,20 2,28 3,67 .3,75 3,83
75 6 7,25 5,69 2,44 1,21 40,9 2,38 14,6 1,42 2,15. 2,22 2,3 3,70 3,78 3,86
90 сс 6 8,54 6,7 2,95 1,28 70,6 2,88 21,2 1,58 2,3 2,38 2,45 4,41 4,49 4,57
DO 8 11,18 8,77 3,04 1,36 90,9 2,85 27,1 1,56 2,35 2,43 2,5 4,47 4,55 4,62
'1 "t 63 6 7 9,59 11,1 7,53 8,7 3,23 3,28 1,42 1,46 98,3 113 3,2 3,19 30,6 35 1,79 1,78 2,55 2,57. 2,62 2,64 1 " 1 2,7 2,72 4,84 4,87 4,92 4,95 4,99 5,02
125 80 8 16 12,5 4,05 1,84 256 4 83 2,28 3,19 2,27 3,34 5,98 6,06 6,13
10 19,7 15,5 4,14 1,92 312 3,98 100 2,26 3,28 3,3! 3,37 6,04 6,11 6,19
140 90 8 18 14,1 4,49 2,03 364 4,49 120 2,58 3,55 3,61 3,69 6,64 6,72 6,79
10 22,2 17,5 4,58 2,12 444 4,47 146 2,56 3,59 3,67 3,74 6,69 6,67 6,84
9 22,9 18 5,19 2,23 606 5,15 186 2,85 3,83 3,95 4,02 7,60 7,67 7,75
Ж 100 10 25,3 19,8 5,23 2,28 667 5,13 204 2,84 3,90 3,97 4,04 7,67 7,69 7,77
12 30 23,6 5,32 2,36 784 5,11 239 2,82 3,95 4,02 4,09 7,67 7,74 7,82
180 110 10 28;3 22,2 5,88 2,44 952 5,8 276 3,12 4,22 4,29 4,36 8,55 8,62 8,7
12 33,7 26,4 5,97 2,52 1123 5,77 324 3,1 4,26 4,33 4,4 8,6 8,67 8,75
205
Приложение 6
Сталь широкополосная универсальная
(по ГОСТ 82-70)
Т лщина,
мм
(4), 6, (7), 8, (9), 10, (11), 12, 14, 16, 18, 20, 22, 25, 28, 30, 32, 36, 40, 45, 50,
55, 60
Ширина, 200, (210), 220, 240, 250, (260), 280, 300, (320), (340), 360, 380, 400, 420, 450, 480,
нм 500, (530), 560, 600, 630, 650, 670, 700, 750, 800, 850, 900, 950, 1000, 1050
Приме на ние. В скобках указаны нерекомендуемые размеры листов.
Приложение 7
Трубы бесшовные горячедеформированные (по ГОСТ 8732—78)
Обозначения: — наружный диаметр; з — толщина стенкн
Размер, мм Масса, кг/м Площадь сечекжя Д. см1 Радйуе • инерции 1 1» см | | Размер, мм Масса, кг/м плодадь сеййия A* Si* . Р»двус ииерцдя. > Л СМ; г
D 3 1 D в
• / 1
3,5 4,62 5,89 1,9 8 41,63 53
57 4 5,23 6,66 1,88 х 219 10 51,54 65,64
5 6,41 8,17 1,85 12 14 61,36 70,78 О • -ме! 7#Н
3,5 5 6 5,74 8Д)1 9,47 7,31 10,22 12,06 4 2,36 2,31 2,28 Au
70 245 8 10 46,76 57,95 50,54 73,91 8,39 8,33
3,5 12 68,95 87,74 8,26 5
7,38 6,4 3,03 14 79,76 101,61 8,19 -
89 5 10,36 13,2х 2,98
8 15,98 20,36 2,88 8 52,28 66,62 9,39
5 11,96 15,24 3,44 273 16 64,86 82,59 -9,32
102 6 14,21 18,09 3,41 12 77,24 98,39 9,25 "
8 18,55 23,64 3,34 14 ' 89,42 11335 9,18 <
16 101,41 129,13 9,11
5 14,3 18,23 4,11
121 6 17,02 21,67 4,07- 10 - 77,68 98,94 11,16
8 22,29 28,4 4,01 325 12 1 Л 92,63 107,38 117,99 136,8 11,09 ‘
1 - 14 11,02
6 19,83 25,26 4,75 16 121,93 155,36 10,95
140 - 8 иГ 26,04 32,06 33,18 40,84 4,68 - 4,62
12 122,52 156,1 14,67
*
6 23,97 30,53 5,74 14 142,25 181,28 14^58
8 ЗГ.57 40,2 5,67 426 16 161,78 205,99 44,52
168 10 38,97 49,61 5,6 18 181,11 230,78 ; 14,46 ;
12 46,17 ; 58,84 5,54 1 20 200,25 255,08 14,39
206
г Приложение $
( Трубы стаМные электросварные i ггрямошовные (по ГОСТ 10704—76)
Обозначения: —- наружный диаметр; s — толщина стенки
Размер» мм Размер» мм
Масса» Площадь Радиус Масса, Площадь Радиус
а кг/м сечейня Л. см* инерции i, см О« S , кг/м сечения А, см* инерции i, см
2 2,52 3,2 1£1 3.5 10,66 13,6 4,37
53 2.5 3,11 3,97 1,79 . 127 4 12,13 15,5 4,35
3 3,7 7,71 1,77 4,5 13,60 17,3 4,34
5 15,04 19,2 4,32
2 2,86 3,64 2,05 5,5
16,48 21,0 4,3
60 2,5 3,55 4,52 2,03
3 4,22 5,38 2,02 4 13,42 17,1 4,82
f 2 335 - 4,27 2,41 140 4,5 15,04 19,2 4,8
70 2,5 ~ 4,16 5,3 2,39 5 16,65 21,2 4,78
3 4,96 6,32 2,37 5,5 18,24 23,2 4,76
2 <0 5,1 2,86 5 18,99 24,2 5,45
83 2,5 4,96 6^32 2,85 5,5 20,82 26,5 5,44
3 5,92 ’ 7,54 2,84 159 6 22,64 28,8 5,42
7 26,24 33,4 5,38
2 4,20 5,47 3,08
чя 2,5 5,33 6,79 3,06 5 20,1 25,6 5,77
3 6,36 8,10 3,04 5,5 22,04 28,1 5,75
зз 7,38 М 3,03 168 6 23,97 30,5 5,74
9$) 10,7 3,01 7 27,79 , 35,4 5,7
1. 8 31,57 40,2 5,66
7,32 9,32
3 3,5
ЗЛ 8,5 10,8 3,49 5 26,39 33,6 7,57
102 4 9,67 12,3 3,47 5,5 28,96 36,9 7,55
4,5 10,82 13,8 3,46 219 6 31,52 40,2 7,54
5 11,96 15,2 3,44 7 36,6 46,6 7,51
8 41,60 53,0 7,47
3,5 9,54
12,2 3,91 273
'-’4 10,85 133 3,89 7 45,92 58,5 9.42L.
114 4,5 12,15 15,5 3,88 8 52,28 66,6 9,38
5 13,44 17,1 3,86 325 8. 62,54 79,6 Н.2
207
Приложение 9
Профили холодногнутые сварные квадратного сечения (по ТУ 36-2287-80)
Обозначения: Ь — наружный размер профиля; s — толщина стенки
Размер, мм Площадь сечения см1 Радиус инерции 1, см Масса, кг/м Размер, мм Площадь сечения Л, см* Радиус инерции 1, см Масса, кг/м .
b а
80 3 4 5 6 8,85 11,5 13,9 16,2 3,1 3,05 2,99 2,93 6,95 9,01 10,9 12,72 140 3 4 5 6 7 8 16,1 21,1 25,9 30,6 35,1 39,6 5,56 5,5 5,45 5,39 5,33 5,27 12,63 16,5 20,4 24,0 27,6 31,0
ИЮ 3 4 5 6 7 ИЛ 14,7 17,9 21,0 23,9 3,92 3,87 3,81 3,75 3,69 8,83 11,5 14,1 16,5 18,77
160 3 4 5 6 7 8 18,5 24,3 29,9 35,5 40,7 45,9 6,37 6,32 6,26 6,21 6,15 6,09 14» 19,1 23,5 27,8 32,0 36,0
по 3 4 5 6 7 12,5 16,3 19,9 23,4 26,7 4,33 4,28 4,22 4,16 4,1 9,78 12,8 15,6 18,4 20,93
180 4 5 6 7 8 27,5 33,9 40,2 46,3 52,3 7,14 7,08 7,03 6,97 6,91 21,6 26,6 31,6 36,4 41,1
125 3 4 5 6 7 8 14,3 18,7 22,9 27,0 30,9 34,7 4,94 4,89 4,83 4,78 4,72 4,66 11,22 14,7 18,0 21,2 24,3 27,6
Приложение 10
Канаты стальные для висячих покрытий
Диаметр каната / диа- метр проволо- ки, мм Расчетная площадь се- чения всех проволок, мм’ Расчетная масса 1000 м каната, кг Диаметр каната / диа- метр проволо- ки, мм Расчетная площадь сечения всех проволок мм* Расчетная масса 1000 м каната, кг
Канат одинарной свивки типа ТК конструкции 1x37 (1-\-6+12-\-18)
по ГОСТ 3064-80
12/1,7 84,26 719 ' 20/2,8 228,74 1955
12,5/1,8 94,44 u 806 21/3 262,51 2240
14/2 116,89 993,6 22,5/3,2 298,52 2550
15,5/2,2 141,37 1200 24/3,4 337,03 2875
17/2,4 168,17 1425 27/3,8 420,84 3590
18,5/2,6 197,29 1685
Канат двойной свивки типа ЛК-РО конструкции 6Х36(1+7-\-7/7 14)-\-7Х7(1-{-6)
по ГОСТ 7669—80
28 373,25 3495 45,5 991,84 9045
30 422,76 3890 49 1163,04 10600
32,5 487,48 4445 52 1304,05 11850
35,5 580,11 5290 57 1520,73 13900
36,5 646,37 5895 61,5 1782,25 16250
39 716,29 ' 6530 64 1880,27 17148
41 796,83 7265 68 2058,71 18775
42 843,9 7965 72 2316,38- 21125
Канат закрытый несущий по ГОСТ 7676—73
50 1713,8 14695 60 2408,69 20636
52 1846,16 15828 65 2763,97 23673
54 1988,1 17043 70 3231,84 27671
55 2016,33 17280
Примечания: 1. ТК~точечное касание проволок; ЛК — линейное касание
проволок;О, Р— соответственно проволоки одинакового и разного диаметра в слоях
каната; 1 X 37(1+6+12) +18 — формула размещения проволок. 2. Временное сопро*
тивление разрыву Rw принимается 1200, 1400, 1600, 1700, 1800 и 2000 МПа.
Приложение П
' Нормативная временная вертикальвая°нагрузка для^рйсчета стальных
и сталежелезобетонных автодорожных и городских мостов, кН/м
Длина мгру- же* НИЯ, м Положение вершины линии влияния по длине пролета Длина эагру- же- ння, м Положение вершины линии влияния по длине пролета .
в середине в четверти на опоре в середине в четверти на опоре
НК-80 Н-30 НК-80 Н-30 НК-80 Н-30 НК-80 Н-30 НК-80 Н-30 НК-80 Н-30
4 176,5 70,6 176,5 86,3 215,7 94,1 20 69,0 24,0- 69,0 25,2 71,4 28,1
5 163,2 63,9 163,2 73,9 200,8 79,0 22 63,? 22,2 63,6 22,9 65,5 27,6
6 156,9 57,5 156,9 64,5 183,1 67,8 24 58,8 20,9 58,8 21,7 60,5 26,9
7 147,3 51,8 147,3 56,9 166,6 59,5 26 54,8 19,9 54,8 ,21,2 56,2 26,1
8 137,3 47,0 137,3 50,9 152,0 53,6 28 51,2 18,9 51,2 W Jjjjgg 25,4
9 127,9 43,0 127,9 46,0 139,5 49,7 30 48,2 18,0 Я*2 20,5
10 119,2 39,5 119,2 42,0 128,7 46,0 32 45,3 17,2 45,3 20,2 46,3
11 111,5 36,5 111,5 39,5Х 119,3 42,9 | 36 40,7 17,2 40,7 19,4 дал
12 104,6 34,0 104,6 37,2 111,1 40,2 I 40 36,9 17,2 36,9 :18,6 а*
13 98,5 32,4 да,5 35,2 104,0 37,5 50 29,9 17Д 29,9 17,5 30,2 21,3
14 92,9 30,9 92,9 33,3 97,7 35,4 60 25,1 17,2 25,1 17,2 25,4 20,4
15 87,9 29,6 87,9 31,6 92,1 33,5 70 21,7 17,0 21,7 17,0 21,9 19,8
16 83,4 28,3 83,4 30,2 87,1 31,7 80 19,0 17,0 19,0 17,0 19,2 19,1
18 75,5 25,4 75,5 26,6 78,4 28,7
СЛИСОК РЕКОМЕНДОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Беленя Е, И. Предварительно напряжен-
ные несущие металлические конструк-
ции.— Мл Стройиздат, 1975.— 416 с.
2. Васильев А. А. Металлические конструк-
ции.— М.: Стройиздат, 1976.—424 с.
3. Гибшман М. Дедух И. Е. Мосты
и сооружения . иа автомобильных доро-
гах,— Мл Транспорт, 1981.—399 с.
4. Дохко В. И. Конструктивные решения вы-
сотных зданий//Стр-во и архитектура.—
1978л— № 3.— С. 34—37.
5. / Дехтяр А. Ш. Облегченные конструкции
металлических стен промышленных зда-
ний.—Мл Стройиздат, 1979.—161. с.
6. Ильясевич С, А, Металлические -коробча-
ше. мосты.—Мл Транспорт, 1970.—339 с.
7. История строительной техники / Н. Н. Аис-
тов, Б. Д. Васильев, В. Ф. Иванов й др.—
Л.; Мл Госстройнздат, 1962.—557 с.
8. Пихтарников Я. М., Клыков В. М, Лады-
жейдкий Д. В. Расчет стальных конструк-
' йаЙ: Спр. пособие,—Кл Будцвельник,
, Я^&ихтарнаков Я* М., Летников Ц. С> Лев-
Шмко ъ/ ^. Технико-экономические основы
Ейлодия строительных конструк-
йщ Донецк: Вищй шк. Головное
Я6О.-24ОС.
четкие конструкции / Под ред.
Мл Стройиздат,
Н И. Металлические конструкции: Справочное
Пх^рбие / ПбД ред.' акад, Н. П. Мельни-
rf ковн.— Мл Стройиздат, 1980.— 776'с.
^,Л2. Мйкитаренко М, А., Онисин С. С. Авто-
матизированное . проектирование строи-
тельных металлических конструкций: Учеб.
: * пособие,— К.: КИСИ, 1983,—110 с.
13. Му ханов К. М. Металлические конструк-
ции: Учебник.— М.: Стройиздат^ 1978.—
572 с.
14. Пространственные покрытия / Под общ.
ред. Г. Рюле.— Мл Стройиздат, 1974.—
Т. 21.—246 с.
15. Сахновский М. М. Легкие конструкции
стальных каркасов зданий и сооруже-
ний,—Кл Буд1вельник, 1984.-1(50 с.
16. Строительные нормы и правила. Ч. 2.
Нормы проектирования. Гл. 24. Алюми-
ниевые конструкции: СНиП Пг24-74. Утв.
Госстроем СССР.— Мл Стройиздат, 1975.—
48 с. ч
17. Строительные нормы и правила. Ч. 2.
Нормы проектирования. Гл. 6. Нагрузки
и воздействия: СНиП П-6-74. Утв» Гос-
строем СССР.— Мл Стройиздат, 1976.—
59 с.
18. Строительные нормы и правила. Нормы
проектирования. Мосты и трубы: СНиП
2.05.03-84. Утв. Госстроем zCCCP.— Мл
ЦИТП Госстроя СССР, 1985.—183 с.
19. Строительные нормы и правила. Ч, 2.
Нормы проектирования. Гл. 23. Стальные
конструкции: СНиП 11-23^1. Утв. Госстро-
ем СССР. — Мл Стройиздат, 1982.—96 с.
20. Трущее А. Г, Пространственные металли-
ческие . конструкции: У^еб. пособие.— Мл
Стройиздат, 1983.—215 с^ . .
21. Файбишенко В, К. Металлические конст*
рукцин: Учеб, пособие.—Мл Стройиздат,
1984.-^336 с.
22. Харт Ф., Хенн В., ЗонТае X. Атлас строи-
тельных . конструкций.— Многоэтажные
здания.— Мл Стройиздат, 1977.—351 с.
23. Шимановский В. Н. Висячие системы,—
Кл Буд1вельнйк, 1984.—208 с.
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Алюминиевые сплавы 22—24
Арки 108—110
Базы колонн 91, 92
Балки вспомогательные 52, 53
— главные 52, 53
— перфорированные 52, 56, 57
— прокатные 51, 54—56
— составные 51, 52, 57—61
— сталежелезобетонные 167; 170, 173, 179-*
182
Балочная клетка нормального типа 52, 53
---упрощенного типа 52, 53, 169
---усложненного типа 52, 53, 169
Башни 184—189, 191, 192
Болты высокопрочные 49, 50, 170
— грубой точности 46, 48, 50
— нормальной точности 46, 48, 50
— повышенной точности 46, 48, 50
Вибрационная прочность 15
ВисячНе покрытия двухпоясные 121, 132—134
---комбинированные 119
------ мембранные 119, 124
— — однопоясные 120
---седловидные 121
---шатровые 120
Выносливость 15
Габариты мостов 165, 166
— подмостовые 164, 165
— транспортные 70
Гибкость приведенная 87
— стенки 59, 62, 63
— стержня 32, 77
— условная 62, 63
Группы прочности стали 17
— конструкций 19
Заклепки 51
Каркасы блочной системы 161
— комплектной поставки 161
— коробчатой системы 144
— легкие 160—162
— многоэтажные 138—151
мостового типа 154, 155
— одноэтажные 159, 160
— рамно-связевые 140, 141
— рамные 139
— связевые 139, 140
— с подвешенными этажами 142, 143, 152.
154
— средней этажности 151—156
Классы болтов 46
Колонны сквозные 86—90
— сплошные 83—86
Концентрация напряжений 14, 15, 31
Коэффициент влияния формы сечения 37
— динамический 173, 177
— концентрации 15
— многбнолосйостй 177 >
— надежности по временному Свйротйвле-
нию 31, 128 * • V
----по материалу 27; 128
— — по нагрузке 26
---по назначению 27 Л
— понижения расчетного сопротивления ври
внецентренном сжатии 37 ‘ "
— поперечной установки 178, 17S
— продольного изгиба 33
— Пуассона 10
— сочетания 25
— условий работы 27
Купола ребристо-кольцевые 112, 113
— ребристые 112
— сетчатые 113
Маркировка стали 17, 18
Материальная ось 86, 88
Мачты 184, 186, 187—191
Механические свойства 10—12, 16
Модуль упругости 10, 23
Мосты арочные 163, 164
— балочные 163
— вантовые 164
— висячие 164
— комбинированные 164
— рамные 164
— сталежелезобетонные 167, 170, 173, ISO-
183
Нагрузки временные 25
'— длительные 25
— кратковременные 25
— нормативные 26
— особые 25
— подвижные 173—177
— постоянные 25, 173
— расчетные 26
— эквивалентные 177, 178
Наклеп 13
212
Напряжения допускаемые 25
- местные 54
— начальные 98
— приведенные 12
Настилы железобетонные 52
— стальные 52, 72, 95, 96, 167, 183, 184
Опорные части 106, 107, 109, ПО, 171, 172
Оптимальное проектирование 193—195
Относительное удлинение 11
— эксцентриситет 37
Пластичность 10, 11
Покрытия беспрогонные 72
— больших пролетов 103, 104
— висячие 119—138
— перекрестные 143
— плоскостное 159
— по прогонам 72, 73
— пространственные 160
— структурные 113—119
Предварительное напряжение балок 99—101
— — рам 100 \
ферм 99
Предел пропорциональности 11
— текучести физический 11
— — условный 12, 23
— упругости 11
Предельное состояние по полной непригодности
к эксплуатации 28
— • — по непригодности к нормальной экс-
плуатации 28
- по несущей способности 27, 28
Приведенная гибкость 87
— iстоимость 198
- —' экцентриситет 37
Прионы 73, 74
ПрйЙ&ость 10, 11
Расчетная длина 32
лаопротивление 27—29 /
Ребр^ жёсткости опорные 63, 64
Й--Й- поперечные 62, 63
^ 3* — продольные 63
< Решетка крестовая 105, 187, 188
/ *- врлураскосная 187, 188
* -г- раскосная 69, 187
~ ромбическая 105, 187, 188
~ треугольная 69, 187, 188
— шпренгельная 69, 105
Сварка автоматическая 40, 41
— газоэлектрическая 40, 41
— полуавтоматическая 40, 41
— ручная 40, 41
— электр одуговая 40, 41
Сварные швы вертикальные 41
- горизонтальные 41
-------- косые 43
нижние 41
--лобовые 42
— — потолочные^ 41
— стыковые 42—44
---г- угловые 44—46
- т- — фланговые 42
Связи 73, 74 '
Системы^автоматизированного проектирования
Соединения болтовые 46—51
— заклепочные 47, 51
— монтажные 65, 79
— сварные 41—46
Сопряжение балок в одном уровне 52
-----жесткое 66
---пониженное 53
---шарнирное 66
---этажное 52; 53
Сортамент гнутых профилей 22
— двутавров 21
— * толстолистовой стали 21
— тонколистовой стали 21
— угловой стали 20
— швеллеров 21
— широкополосной универсальной стали 21
Стадии проектирования 193
Сталь высокой прочности 16
— кипящая 16
— малоуглеродистая 16, 17
— низколегированная 16—18
— обычной прочности 16
— повышенной прочности 16
— полуспокойная 16
— спокойная"16
— термически упрочненная 18
Старение естественное 13, 14
— искусственное 23
Стоимость конструкций 196—199
Структурные конструкции 113—119
Стыки заводские 65, 80
— монтажные 65, 80
Типизация 6
Траверса 91, 92
Трудоемкость изготовления 6
Ударная вязкость 13
Унификация 6
Условная гибкость 37
Усталость металла 15, 16
Устойчивость местная 62, 63, 85 ,
— общая 31—34,37, 38, 61, 62,' 85, 87, 88, 90
Фермы большепролетные 105—108
— главные 106, 162
— легкие 80—82
— связевые 67, 74
стропильные 68—82
— тяжелые 100, 105
Хрупкость 12—16, 106
Шарнир пластичности 34—36
ОГЛАВЛЕНИЕ
1
1
Введение...............................3
54
Глава I. Строительные стали и алюми-
ниевые сплавы
1 .1. Основные механические свойства
строительных сталей и особенности их
работы под нагрузкой ....... 10
1.2. Группы и марки строительных ста-
1. 3. Выбор сталей для металлических
конструкций \ 18
1.4 . Сортамент стали . . Л . . . . 10
1. 5. Легкие алюминиевые сплавы . . 22
Глава II, Нагрузки и методы расчета
1 1.1. Общие положения выбора расчет- г
ных и Конструктивных схем ..... 24
П.2. Нагрузки и и* сочетания . . ... 25
П,3. Метод расчета по предельным со-
стояниям ......................... . 25
II .4. Расчетные сопротивления сталей . 28
П.5. Расчетные сопротивления алюмини-
евых -сплавов . . . . . . . - . .29
Глава III. Работа и расчет элементов
металлических конструкций
Щ.1. Расчет растянутых элементов . . 29
П1.2. Расчет элементов на центральное
сжатие 31
III .3. Расчет Нагибаемых элементов . . 34
III. 41 Расчет внецентренйо-сжатых и
сжато-изогнутых стержней..............56
Ш.5. Принципы подбора сечений рас- /
тянутых, центрально-сжатый и изгиба-
емых элементов ...........38
Глава IV, Соединения в металлических
- конструкциях
IV . 1. Назначение Ц виды соединений . 40
I V.2. Виды сварки в строительстве 40
IV .3. Основы расчета и конструирова-
ния сварных соединений...............41
IV. 4. Болтовые соединения............46
Глава V. Проектирование балок и ба-
лочных клеток
V.I. Типы металлических балок ... 51
V«2. Основы компоновки Палочных кле-
ток . . .. ......... 52
V.3 . Основные положения расчета балок 53
V .4. Расчет прокатных балок . . . .
V.5. Балки из развитых прокатных дву-
тавров ........................ . <
V. 6. Расчет составных сварных балок .
V.7. Обеспечение устойчивости балок .
V.8. Расчет соединений пдясов со стен-
кой в сварных балках..............
V.9 . Стыки и опорные части балок . .
Глава VL Проектирование ферм по-
крытий
VLL Назначение н в^ыферй
VIA Стропнльнне •
VI.3 . Генеральные раОДДО 'ферйu
VI.4. Элементы покрытий по мСП
ским фермам . . .
Vt5. Расчет стропильных. ффйй
VI.6. Основы конструировали J
VI.7. Эффективные Мструю
пильных ферм . ч. \ .7 7* • 30 <
Г лава VII. ЦемтральиЬ-^^
VI I. 1. Назначение и классификация ко л
лонн . .........................' . 827
VI 1.2. Сплошные центрально-сжатые ко-
лонны..............\............v'7. 83*М?
VH.3. Сквозные центрально-сжатые ко- 'У’<
лонны . . . . Т . . I . . . . 86 4
VII .4. Оголовки и базы центр ал ьно-сжа-
тых колонн . . . ................ . 90 7^
Глава VIII, Металлические ограждающие
конструкции
56
57
6!
64
55
VIII. 1. Материалы для металлических
$
ограждающих конструкций .... 93
VII 1.2. Конструкции металлических стен 93 ,.л...
VII 1.3. Ограждающие конструкции по- 1
крытий . . . ................... . 95 J
VIII.4. Особенности применения метал-
лических ограждающих конструкций * ,96?<7
Глава /X. Предварительно^ «апряжёин|йе
металлические конструкции ’
IX.1. Цели предварительного напряже-
ния металлических конструкций . . • 97
IX.2. Повышение несущей способности ,7'-7
конструкций . . ;<• 7 . . . . •
IX.3. Повышение устойчивости и '
кости конструкций . 7
214
X,e
домй элементами
|р1. Область применения, и основные
Й>ебовйния к конструкциям...........103
fUL Классификация ' большепролетных . .
ЙжрЫтий.............................104
ж$. Балочные конструкции покрытий . 105
ЗС4;'Дрочные покрытия...............108
XJx Рамные конструкции...............ПО
Х’6. Купола ,.......................112
Х.7. Структурные и перекрестно-балоч-
ные системы покрытий . .............113
Глава XL Висячие покрытия .
XIX Общая характеристика висячих по-
крытнй . . . .......................
XI.2. Конструктивные элементы пролет-
ной Части ..........................
XI.3. Опорные конструкции висячих по-
крытий .............................
g.4. Способы уменьшения деформаций
сячих покрытий . .......
jXl.5. Основы расчета висячих покрытий
XJ.6. Конструктивные решения однопо-
яснцх покрытий . ............... .
Конструктивные решения двухпо-
ЭДЙж покрытий................... .
XL8. Седловидные покрытия . . • .
XL9. Покрытия шатрового тела . . .
XL10. Вантовые и висячие комбиниро-
ванные покрытия .................
К-Мем бранные покрытия ....
Стальвые каркасы высотных
и системы стальных
” В ............
₽ами|р4<ч, свядевая- системы ;
Рамно<йяаеэая система . . .
КаркасйСмейольная система .
Коробчй^егвольяая система .
НеОздЙе; Ж*иня стальных
зданий . . .
коДОойвкя и конструи-
стальных каркасов ......
АНЖОеновы расчета стальных карка-
соввысотных зданий...................
AiIS. Противопожарная защита сталь-
нфгх каркасов.......................
119
121
125
126
127
131
132
134
135
136
137
138
. 139
, 140
141
145
145
147
149
151
рлава XIII. Стальные каркасы зданий
средней и малой.этажности
ХШ.1. Предпосылки использования
свальных каркасов и область их при-
МСнения ............................
J(in.2. Каркасы жилых и общественных
ХЩЛ Некоторые примеры решений
эдкняй из зарубежной практики 1960—
Ш ГГ.................................
XHI.4. Зрелищные здания и обществен-
ные сооружения . ........
151
152
153
156
Х1П.5. Каркасы производственных зда-
ХТЦ.6. Легкие металлические
дни зданий............................160
Глава XIV. Городские и автодорожные
металлические мосты 162
XlVJ. Назначение и классификация мо-
стов . ...............................162
XIV.2. Разбивка моста на пролеты. Под-
мостовые габариты . ................ 164
XIV.3. Габариты мостов.........165
XIV.4. Конструктивные формы балочных
мостов..........................• 167
XIV. 5. Стали, применяемые для мостов 168
XIV.6. Общие принципы компоновки ба-
лочных "пролетных строений ... . . 168
XIV.7. Конструкция главных балок . . 169
XIV.8. Связи балочных пролетных стро-
ений .................................171
XIV.9. Опорные частй балочных мостов ,171
Глава XV. Основы расчета пролетных
строений мостов со сплошными главны-
ми балками
XV. 1. Нагрузки в воздействия на авто-
дорожные мосты........................172
XV.2. Особенности приложения посто-
янной нагрузки.................. . 173
XV.3. Подвижная вертикальная норма-
тивная нагрузка.......................174
XV.4. Определение временных нагрузок
иа главные балки пролетного строения 178
XV.5. Определение расчетных усилий
в главной балке ......................179
XV.6. Основы расчета сечений сплош-
ных главных балок ........ 180
Глава XVL Башни и мачты
XVI. 1. Назначение башен и мачт ... 184
XVI.2. Нагрузки и воздействия . . . 185
XVI.3. Конструктивные решения башен
и мачт ..........187
XVI.4. Основы расчета башен .. . • < 188
XVI.5. Основы расчета' мачт . . . • W
XVI.6. Современные башенные и мачто-
вые сооружения связи..................191
Глава XVIL Основные положения про-
ектирования и экономики металлических
- конструкций
XVII.1. Особенности проектирования . . 193
XVII.2 Оптимальное проектирование. . 193
XVI 1.3. Автоматизированное проектиро-
вание . . .......... . 1?5
XVII.4. Основы экономики металличе-
ских конструкций ......................195 А
П риложе ..............................200
Список рекомендованной ли-
тературы ..............................211
Предметный указатель. . .212
215
Учебное пособие
Михаил Михайлович Жервин
Виталий Александрович Владимирский
МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ
Редактор Т, Ю. Ходырева
Переплет художника В, Р. Евича
Художественный редактор Н. А. Стась
Технический редактор С. Л. Светлова
Корректор Е. В. Ткачук
Информ, бланк М 9181
Сдано в набор 28.06.85. Подо, в печать 07.08.86.
6Ф 02674. Формат 70X90/и* Бумага кнлжно-журн.
Лит. гарн. Вне. печать. Усл. печ. л. 15,79. г ел. др.-
отт. 16,23. Уч.-Нзд. л. 17,6. Тираж 11000 эка. Изд,
№ 7029. Зак. 5-487. Цена 75 к.
Головное издательство издательского объединения
«Вища школа». 252054, Киев-54, ул. Гоголевская, 7.
Книжная фабрика «Коммунист», .310012, Харьков-19,
ул. Энгельса, И.