Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
министерство образования и науки украины
донбасский горно–металлургический институт
основы строительного дела и
металлические конструкции.
Конспект лекций
для студентов специальности 6.090218
"Металлургическое оборудование"
Алчевск, 2003
УДК 624.014(075.8)
A41
|
A41 |
Аксюта А.А., Боровик П.В. Основы строительного дела и металлические конструкции. Конспект лекций. – Алчевск: ДГМИ, 2003. – 60 с. |
Конспект лекций ориентирован на студентов специальности 6.090218 “Металлургическое оборудование”. В нем изложены основы знаний строительного дела с целью ознакомления будущих специалистов–механиков с вопросами проектирования строительных конструкций промышленных зданий и сооружений, а также металлических конструкций грузоподъемных машин.
Содержание охватывает краткие сведения из истории развития строительного дела, строительные материалы и их применение в строительстве промышленных зданий, зарождение и развитие теории расчета металлических конструкций, современные методы расчета по предельным состояниям, фундаменты, колонны, балки, стропильные фермы, основы расчета конструкций подкрановых балок и балок мостов кранов на передвижные нагрузки, соединения металлических конструкций.
Табл. 2 Ил. 28 Библиогр. назв. 9
УДК 624.014(075.8)
А.А. Аксюта, П.В. Боровик, 2003
ДГМИ, 2003
Дизайн обложки Е.А. Пономарева, 2003
Оглавление
Самыми древними отраслями деятельности человека были земледелие, скотоводство и строительство. Первые две давали ему пищу, третья обеспечивала укрытие от непогоды: зимой от холода, летом – от палящего солнца.
Прошедшие тысячелетия в разной степени изменили как форму участия человека в развитии этих отраслей, так и сами отрасли. Но если разнообразие продуктов земледелия и скотоводства в принципе осталось (в крайнем случае, по содержанию) почти без изменения, то в строительном деле перемены разительные. Разве можно найти более или менее общий показатель для сравнения жилища даже уже не дикого человека с современным небоскребом или не так уж древней железоделательной мастерской с современным металлургическим строением, например, зданием сталеплавильного или прокатного цеха.
Все это стало возможным благодаря многовековой кропотливой деятельности человека по созданию мощной и весьма разветвленной строительной индустрии, включающей в себя:
– производство строительных материалов;
– подготовку их для транспортирования к строительным объектам;
– возведение самих объектов.
Главные из них, разумеется, – производство строительных материалов и само строительство (возведение) зданий и сооружений.
В общих затратах на капитальное строительство зданий и сооружений стоимость строительных материалов составляет свыше 50%. Все строительные материалы разделяют на две большие группы: природные и искусственные.
Природные (естественные) строительные материалы получают непосредственно из недр Земли и из лесных массивов (деловой лес) с соответствующей их обработкой.
Искусственные строительные материалы и изделия изготовляют из природных сырьевых материалов и из побочных продуктов промышленности (в основном, металлургической). Эта группа строительных материалов значительно больше первой.
Следует сказать, что внутри этих двух больших групп строительные материалы имеют очень разветвленную классификацию по многим признакам, например, по химсоставу, по происхождению, по функциональному признаку (жаростойкость, кислотостойкость, морозостойкость) и другим.
Средняя плотность – физическая величина, обозначающая отношение массы тела (вещества) в естественном его состоянии ко всему занимаемому им объему, включая поры и пустоты:
, (1.1)
где – масса сухого материала;
– объем материала по внешним размерам.
Истинная плотность – отношение массы тела (вещества) к его объему за вычетом пустот и пор:
, (1.2)
где – объем сплошного материала.
Насыпная плотность – отношение массы зернистого или порошкового материала ко всему его объему, включая поры и пустоты:
.
Пористость материала – степень заполнения объема материала порами:
, (1.3)
где – объем пор в материале.
Водопоглощение – способность материала впитывать и удерживать в себе воду. Определяется путем насыщения водой образца, высушенного предварительно до постоянной массы. Показателем водопоглощения (по массе) является отношение массы поглощенной воды к массе сухого образца:
, (1.4)
где – масса образца, насыщенного водой;
– масса сухого образца.
Водостойкость – способность материала сохранять прочность при водонасыщении. Характеризуется коэффициентом размягчения:
, (1.5)
где и – пределы прочности насыщенного и сухого образцов материала.
Водостойкими считаются материалы с . Максимальное значение присуще таким материалам: стекло, фарфор, сталь и др.
Гигроскопичность – способность строительных материалов поглощать водяные пары из воздуха. Поглощение влаги материалом зависит от многих факторов и обусловлено его структурой, температурой и влажностью воздуха и др. Материалы с высокой гигроскопичностью не применяют в ограждающих конструкциях зданий и сооружений, поскольку они обладают пониженной прочностью и долговечностью.
Водопроницаемость – способность материалов пропускать воду под давлением. Определяется количеством воды, проходящей за один час под определенным давлением через 1 испытуемого образца. Это свойство важно для материалов, используемых при строительстве гидросооружений и их деталей.
Морозостойкость – способность насыщенного водой материала выдерживать многократное и переменное (до различной температуры) замораживание и оттаивание без заметных признаков разрушения и потери прочности.
Выражается коэффициентом морозостойкости:
, (1.6)
где – предел прочности образца материала при сжатии после заданного числа циклов замораживания – оттаивания;
– предел прочности водонасыщенного образца при сжатии до первого замораживания. Материал считается морозостойким при .
Теплопроводность – способность материала передавать теплоту через свою толщу при наличии разности температур по обе стороны материала. Выражается коэффициентом теплопроводности , :
, (1.7)
где – количество прошедшей теплоты, ;
– толщина слоя материала, ;
– площадь, через которую проходит тепловой поток, ;
– значение температуры по обе стороны материала, ; – время прохождения теплового потока ().
Таблица . – Теплопроводность некоторых теплоизоляционных материалов
|
№ |
Материал |
Средняя плотность, |
Теплопроводность, |
|
1. |
Древесноволокнистые плиты |
150–950 |
0,047 |
|
2. |
Минеральная вата |
75–125 |
0,044–0,105 |
|
3. |
Пробковые плиты |
150 |
0,047 |
|
4. |
Бетон (тяжелый) |
2000–2400 |
1,28–1,55 |
|
5. |
Гранит |
2600 |
2,918 |
|
6. |
Сталь |
7850 |
58,35 |
Этот показатель имеет важное значение, при выборе материала стеновых и теплоизоляционных конструкций.
Теплоемкость – способность материала поглощать определенное количество теплоты, повышающей его температуру на определенную величину. Характеризуется коэффициентом теплоемкости , :
,
где – количество теплоты, затраченное на повышение температуры образца материала на величину , ;
– масса образца материала, кг;
и – соответственно начальная и конечная температура образца,.
Огнестойкость – способность материала выдерживать без разрушения одновременное действие высоких температур и воды. Предел огнестойкости конструкции характеризуется временем (в часах) от начала огневого испытания до появления одного из признаков: сквозных трещин, обрушения, повышения температуры на необогреваемой поверхности более чем на 140С в среднем или на 180С в любой точке относительно температуры до испытания. К примеру, для стены в один кирпич предел огнестойкости равен 5,5 ч.
Огнеупорность – способность материала противостоять длительному воздействию высоких температур, не деформируясь и не разрушаясь. По степени огнеупорности материалы подразделяются на: огнеупорные ( от 1580С и выше – шамот); тугоплавкие ( от 1360 до 1580 – гжельский кирпич); легкоплавкие ( до 1350 – обыкновенный керамический кирпич).
К примеру, древесина сохраняет свои свойства при температуре до 50С, бетон – до 200–250С.
Предел прочности – напряжение, которое образец материала выдерживает до разрушения.
Таблица . – Пределы прочности некоторых строительных материалов
|
№ пп |
Материал |
Предел прочности |
|
1. |
Гранит |
100–200 |
|
2. |
Известняк плотный |
10–150 |
|
3. |
Кирпич керамический обыкновенный |
7,5–30 |
|
4. |
Бетон В12,5 |
15 |
|
5. |
Бетон В22,5 |
30 |
|
6. |
Сосна (вдоль волокон) |
30–45 |
|
7. |
Дуб (вдоль волокон) |
40–50 |
|
8. |
Сталь |
380–450 |
При воздействии разрушающей осевой нагрузки на образец сечением предел прочности равен:
, МПа.
При изгибе:
, МПа,
где – нагрузка разрушающая, приложенная в центре пролета балки, ;
– длина пролета балки, ;
– соответственно ширина и высота сечения балки, .
В нормах на строительное проектирование (СНиП) установлены значения предела прочности для различных строительных материалов.
Твердость – способность материала сопротивляться проникновению в него других, более твердых, материалов. Определяется различными способами в зависимости от материала. Например, для каменных материалов применяется показатель твердости от "1" до "10", для стали – существуют показатели твердости по трем шкалам (по Бринелю, по Роквеллу, по Шору).
Истираемость – свойство материала уменьшаться в объеме и массе под действием истирания:
,
где – масса образца до и после истирания, ;
– площадь истирания, .
Основными строительными материалами, используемыми при возведении промышленных и гражданских зданий и гидросооружений (дамбы, плотины гидростанций и др.) является бетон и железобетон в сочетании с металлическими (стальными) конструкциями.
Бетон представляет собой смесь заполнителя с вяжущим материалом (веществом) и водой.
В качестве заполнителя используются местные горные породы, отходы производства (шлаки и др.). Заполнители составляют 85–90% массы бетона (заполнитель + вода), следовательно, вяжущий материал – 15–10%. Смесь заполнителя и вяжущего материала, затворенная водой до затвердения называется бетонной смесью, после затвердения – бетонным камнем.
Вяжущими материалами являются порошкообразные вещества, которые при смешивании (затворении) с водой дают кашеобразное пластичное тесто, способное с течением времени переходить в твердое (камневидное) состояние.
По способности затвердевать вяжущие вещества (ВВ) делятся на воздушные и гидравлические.
Воздушные – вяжущие вещества, способные затвердевать и долго сохранять это состояние только на воздухе.
Гидравлические – вяжущие вещества, способные сохранять твердое состояние как на воздухе, так и в воде, тем не менее, начальный процесс твердения (схватывание) обязательно должен быть изолирован от воды.
К воздушным ВВ относятся: воздушная известь, гипс и жидкое стекло.
К гидравлическим ВВ относятся все виды цемента и гидравлическая известь.
Наиболее широко из воздушных ВВ используется воздушная известь. Это ВВ использовалось в строительстве еще за несколько тысячелетий до н.э., в частности, римлянами.
Как воздушные, так и гидравлические ВВ получают из горных пород, содержащих, в основном, кальцит – , главным образом это известняк и мергель.
Известняк, содержащий не менее 98% кальцита, называется чистым, менее, – мергелистым.
Чистый известняк обжигают в специальных печах при температуре 1000–1200С, при которой разлагается на (эндотермическая реакция). – это и есть комовая негашеная известь, имеющая пористую структуру (вследствие удаления ). Ее либо подвергают измельчению (помолу) для получения порошкообразной извести (кипелки), либо подвергают гашению водой для получения гашеной извести – . Таким методом из чистого известняка получают воздушную известь.
Гидравлическую известь получают из мергелистых известняков (содержащих 6–20% глины) путем обжига при температуре 900–1000С. "Гидравличность" ей придает наличие оксида магния и .
Требования к гидравлической извести:
Цемент является основным вяжущим веществом в современном строительстве. Это порошкообразное гидравлическое ВВ, твердеющее как на воздухе, так и в воде, состоящее главным образом из силикатов кальция. Получают тонким измельчением клинкера с гипсом.
Клинкер – продукт обжига смеси известняка с глиной (25%).
Обжиг осуществляют во вращающихся печах, устанавливаемых с небольшим наклоном к горизонту на катки. Печь имеет форму цилиндра диаметром до 6 м и длиной до 24 м.
Спекание смеси происходит при температуре 1450–1500С, а подача клинкера на размол в шаровые мельницы осуществляется при температуре не выше 50С.
Истинная плотность цемента составляет 3000–3200 .
Бетон, как говорилось выше, искусственный каменный материал, полученный после затвердения тщательно перемешанной и уплотненной смеси из ВВ, заполнителя и затворителя (воды), взятых в определенных пропорциях.
Бетоны разделяют на классы:
Откуда навык этот – неведомо.
Гораций
Слово "бетон" появилось в ХVШ веке во Франции, у древних римлян упоминается слово "рудус", что в переводе и означает бетон.
Точное (более–менее) время появления бетона неизвестно, у разных народов он появился в разное (древнее) время. Наиболее ранний бетон, обнаруженный археологами, относят к 5600 г. до н.э. Это было основание пола одной из хижин древнего поселения каменного века (поселок Лапенски Вир в Югославии).
История бетона – это история цемента. В качестве ВВ у древних строителей использовалась глина и жирная земля. Конечно, бетон древних отличался от бетона современного. Тем не менее, в качестве ВВ в древнеримском бетоне уже использовалась воздушная известь, а в качестве крупного заполнителя – камни до 60 см в поперечнике, хотя воздушную известь придумали не римляне, так же как не они изобрели арку и многие строительные машины.
Древний Рим как пользователь бетона вошел в историю потому, что благодаря передовым, на то время, производственным отношениям и дешевой рабочей силе (рабы) в нем было развернуто колоссального объема строительство, памятники которого сохранились до наших дней. К ним относятся: римский Пантеон, римские и другие термы, мосты, акведуки, порты, гавани, водопроводы (длина 60,3 км, из которых по воздуху 11,8 км; ширина – 1,68 м; высота – 2,4–2,75 м; суточный расход – 200 ) [1].
Это строительный материал, состоящий из бетона и стальной арматуры. Идея "ввода" в бетонное изделие стальной арматуры основана на том факте, что прочность бетона на растяжение в 10–20 раз ниже, чем на сжатие. В изделии из железобетона сжимающие нагрузки воспринимает бетон, а растягивающие и изгибающие – сталь, которая неизмеримо прочнее бетона. Эти свойства удачно сочетаются в железобетонных конструкциях, работающих на изгиб (балки, стропила), см. рис. .
1 – бетон; 2 – арматура; 3 – опоры
Рисунок . – Схема железобетонной балки, работающей на изгиб
Сочетание бетона с металлом благоприятно еще и потому, что оба материала обладают одинаковым коэффициентом линейного расширения (бетон – ; сталь – ).
Для не очень ответственных сооружений стальная арматура в бетон закладывается в естественном (ненапряженном) состоянии и анкеровка (фиксирование) производится после затвердения бетона.
Такие конструкции изготавливаются следующим образом (рис. ). В форму 2 определенным способом вставляют арматуру 4 и при помощи гайки натяжного устройства 5 растягивают ее в упорах 1 с усилием (расчетным) , после чего заполняют форму бетоном 3, уплотняют его и, произведя анкеровку стержня, оставляют затвердевать, после затвердения конструкция готова к установке на свое рабочее место.
1 – упоры; 2 – форма; 3 – бетон; 4 – арматура (стержень); 5 – натяжное устройство
Рисунок . – Схема предварительного натяжения железобетонной конструкции
В качестве арматуры применяются: высокопрочная проволока (А–1), (А–П), (А–Ш), (А–ІV); канаты К–7 и К–3.
Использование металлов (железо, бронза и др.) в качестве бытовой утвари, украшений, предметов охоты известно за десятки веков до н.э., в отличие от применения их в строительстве. Одной из причин (если не главной) "запоздания" являлось отсутствие знаний в определении форм и размеров металлических изделий, которые можно было использовать в строительных объектах, т.е., говоря современным техническим языком, не было науки «Сопротивление материалов», являющейся "фундаментом" при расчетах прочности и несущей способности металлических конструкций. И коль скоро человек понял, что, в общем, металлы гораздо прочнее глины и дерева, такая наука начала зарождаться. И уже первые ее шаги дали возможность применять металл при возведении весьма крупных, по тем временам, сооружений.
Вначале это были мосты, выполняемые из чугунных блоков (составных частей). Первым таким мостом явился мост Колбрук Дейл через р. Северн в Англии (Долина холодного ручья). Пролет его – 30 м. Проезжая часть опирается на арки из чугунных блоков. Мост построен в 1779 году (рис. ) за 3 месяца и служит по настоящее время.
Второй подобный мост, через ту же реку, был построен по проекту Томаса Тельфорда (1757–1834). Он же был автором нескольких висячих мостов. В 1801 г. Тельфорд предложил проект 183–метрового моста через Темзу (арочного), но его посчитали слишком "смелым" проектом, и мост остался на бумаге, как и деревянный мост Кулибина через Неву в Петербурге.
В 1843–1850 г. выпускник Петербургского института путей сообщения С.В. Кербедз (1810–1899) построил по своему проекту восьмипролетный арочный чугунный мост через Неву. Длина главного пролета – 47,5 м, а пролет у берега Васильевского острова был разводным, при этом ого длина равнялась 21 м. Мост назвали Благовещенским, после смерти Николая I – Николаевским, в 1918 году – лейтенанта Шмидта (О Кербедзе, видимо, забыли).
1 – проезжая часть; 2 – чугунные блоки; 3 – радиусные стойки; 4 – бетонные опоры
Рисунок . – Схема моста Колбрук Дейл
Е.О. Патон писал: "Николаевский мост через Неву… был не только одним из самых замечательных и красивых сооружений того времени, но первым таким большим мостом с чугунными арками". Теперь этот мост соединяет берега Волги в Твери. Он оказался последним из 47 таких мостов, построенных в различных странах мира. В 1938 году на его месте построен 3–пролетный (по 150 м каждый) сварной мост, судоходный пролет (в центре, длиной 42 м) – разводной. Этот мост уступает первому красотой и пропорцией частей целого. Он не арочный, а балочный. Материал – уже сталь.
В 1917 г. построен арочный 4–пролетный мост через р. Св. Лаврентия в г. Квебек (Канада). Он получил название Ферт–оф–Форт. Крайние пролеты его выполнены консольными (рис. ).
1 – проезжая часть; 2 – опоры; 3 – центральные пролеты; 4 – консольные пролеты
Рисунок . – Схема моста Ферт–оф–Форт
С разработкой технологии производства стали, она вытеснила собой чугун в строительных конструкциях (как позднее сталь начали заменять алюминием – ввиду его легкости).
Увеличение производства стальных изделий расширило ассортимент не только собственно "железных" (стальных) сооружений, но в том числе и железобетонных.
Примерно в 1860 году Жозеф (Иосиф) Монье (1823–1906), работник садоводческой фирмы, обслуживавшей парки Версаля (Франция), изготовил первую кадку из бетона, армированную стальными прутьями, а в 1867 году запатентовал ее. Затем последовали патенты на плиты, балки, трубы, шпалы, лестницы и… гробы. А в 1873 г. им получен патент на железобетонный мост. В результате такой активности в патентовании Монье считают первооткрывателем железобетона, а сам материал получил название "Бетон Монье".
Однако есть достоверные сведения, что армирование бетона железными прутьями предлагали значительно раньше Монье (М. Брюнель – 1832 г.; И. Ламбо – 1849 г.; Ф. Куанье – 1852 г.; В.Уилкинсон – 1854 г.). Железобетон начали широко применять в строительстве арочных сооружений как то: купола, мосты и др. Так в 1891 году на Преображенском плацу в Петербурге был построен арочный мост из железобетона (высота 17 м), предназначенный для испытаний этого материала. Испытаниями руководил М.А. Белелюбский, при проведении которых, после укладки расчетного груза, на мост были приглашены собравшиеся люди. В газете потом писали: "Господа несколько побледнели, а дамы от испуга повизгивали". А Белелюбский М.А. успокаивал: "Нагрузка от господ ничтожно мала по сравнению с весом собственно моста и испытательной нагрузки, конструкция под аркой моста – страховочные подмостки на случай "не дай Бог".
В 1919 году, при восстановлении опор поврежденного гражданской войной моста через реку Дон, Н.М. Абрамов предложил заполнить бетоном имевшиеся под рукой стальные трубы большого диаметра. Так появилась одна из разновидностей железобетона, широко используемая затем в мостостроении. Ярким примером прогресса в искусстве проектирования мостов из железобетона является возведенный в 1952 году в Украине мост через Днепр. Его сводовая арка имеет пролет 228 м.
Невозможно перечислить хотя бы "самые-самые" современные сооружения (мосты, вокзалы, стадионы, цирки, телебашни и др.), в которых в качестве материала применен в том или ином виде тот или иной металл в сочетании с другими стройматериалами.
Вопросы сопротивления строений разрушающим силам груза, стихии и времени ставила перед человеком сама жизнь. Решение их он постигал сначала исключительно путем опыта, затем, основываясь на его результатах, стал замечать определенные закономерности между нагружением изделия, его формой и габаритами. На основании анализа делались выводы и открывались первые закономерности взаимодействия нагрузок с воспринимающими их конструкциями. Опыты вызывали желание обобщения результатов и попытки их теоретического осмысления.
Так, например, еще в древности "строители" знали, что бетонный стержень можно подвергать сжатию с большой силой, а растяжения он не выдерживает и при гораздо меньшей силе. Металлические и деревянные изделия вели себя совсем по-иному. Появлялись возможности сказать наперед – что из чего нужно делать. Следует особо отметить, что уже при сооружении первых строительных "объектов" их создатели значительное внимание уделяли внешнему виду строения. Т.е., говоря современным языком, уже тогда зарождались элементы "дизайна", который прошел путь от "красивой" или "некрасивой" хижины до изящного или неуклюжего, серого, невзрачного небоскреба, хотя их назначение и стойкость одинаковы.
С течением времени в строительном деле начали формироваться и публиковаться выводы, постулаты, законы.
Так, например, великий русский инженер и ученый В.Г. Шухов впервые теоретически обосновал и доказал на опыте, что материал в конструкции "должен" работать либо на сжатие, либо на растяжение.
Стала очевидной зависимость надежной работы строения от тесной взаимосвязи "трех китов", на которых оно держится: форма (конструкция) габариты (пролет) и материал.
Выражаясь образно, скажем:
Стремить строение в длину и в высь
Его творец упорства не терял,
И слово "" выражало мысль:
"– конструкцию, пролет, материал".
Позднее под термином "конструкция" стали понимать общий рисунок изделия, включающий форму, пролет и материал. Эти три фактора фактически находятся в противоречии друг с другом, о чем афористично сказал авиаконструктор Г.В. Новожилов: "Конструкция – оптимальный компромисс между противоречивыми требованиями".
Наблюдения показывали, что пролетные балки под нагрузкой искривлялись (прогибались), и естественным было стремление инженеров и ученых определить зависимость деформации балок от величины и места приложения нагрузок на них.
Пифагор однажды сказал: "Начало – это половина целого".
Одним из авторов этого самого "начала" является гениальный Леонардо да Винчи (1452–1519). Например, он исследовал сопротивление колонн на сжатие и установил, что их несущая способность обратнопропорциональна высоте (при одинаковом сечении). А это есть начало теории устойчивости стержней. Исследуя балки, он установил: во сколько раз одна короче другой, во столько раз больший груз может выдержать короткая. Кроме того Леонардо да Винчи испытывал на прочность проволоку. Вопрос – "почему так?" привел французского инженера и ученого, известного конструктора висячих мостов Луи Мари Анри Навье (1785–1836) к выводу формулы расчета напряжений изгиба в балках прямоугольного сечения:
,
где – изгибающий момент в данном сечении;
– момент сопротивления прямоугольного сечения шириной и высотой ().
Было сформулировано условие прочности для любого вида деформации:
,
где – действительное значение напряжения в рассматриваемом сечении;
– допускаемое значение напряжения материала для данного вида деформации.
Вести расчеты на прочность по допускаемым напряжениям (нагрузкам) в отличие от расчета по разрушающим нагрузкам (как было ранее) предложил тоже Л. Навье, что значительно упростило проектирование.
Галилео Галилей (1564–1642) выявил и теоретически обосновал следующий факт: прочность брусьев полого и сплошного сечений при одинаковой массе и длине одинакова на растяжение и не одинакова на изгиб. Оказалось, что "полость" стеблей растений и костей живых существ – разумное творение природы. А через 300 лет был дан ответ и на вопрос – зачем стебли растений разделены по длине перегородками (коленцами) – для повышения устойчивости.
Весьма интересна история выявления формы эпюры изгибных напряжений в балке прямоугольного сечения (рис. ).
Рисунок . – Эпюра напряжений изгиба в балке прямоугольного сечения
Тем не менее, еще 87 лет после работ Мариотта и других ученых необходимо было убеждать, что при изгибе балки верхняя ее часть сжимается, а нижняя растягивается.
Эта история длилась 188 лет, пока, наконец, Э. Навье в 1826 году дал окончательное решение.
Здесь приведена лишь мизерная доля тех удивительных, зачастую драматических, событий, составивших фундаментальную науку о прочности металлических конструкций.
Здание – это наземное сооружение с ограниченным внутренним пространством, приспособленное для определенного вида человеческой деятельности. Здания классифицируются по ряду признаков, главный из которых – назначение здания. По этому признаку здания делятся на:
Наиболее объемными и насыщенными тяжелым оборудованием являются промышленные здания, например, мощных металлургических цехов (мартеновских, конвертерных, прокатных и др.).
По признаку долговечности все здания и сооружения строительными нормами делятся на три степени:
|
I ст. |
– |
более 100 лет; |
|
II ст. |
– |
50 – 100 лет; |
|
III ст. |
– |
20 – 50 лет. |
Здания и сооружения со сроком службы до 20 лет относятся к временным. Кроме этих признаков здания разделяются еще по огнестойкости (пять степеней) и другим.
Как правило, промышленное здание (каркас его) состоит из следующих частей (элементов): фундамент, колонны, балки, стропила. Балки несут на себе подкрановые пути, по которым перемещаются мостовые краны (рис. ).
1 – грунт (основание); 2 – пол; 3 – фундамент; 4 – колонна; 5 – стена; 6 – балка; 7 – мостовой кран; 8 – стропильная ферма; 9 – кровля
Рисунок . – Фрагмент конструкции промышленного здания
Основанием называется слой грунта, залегающий ниже подошвы фундамента (рис. ) и в стороны от него, воспринимающий нагрузку собственно от здания и оборудования установленного в нем. От свойств основания (его прочности) зависит общая прочность всего здания или сооружения.
Основания бывают естественными и искусственными.
Естественные основания – это грунты, не требующие инженерных мероприятий по их упрочнению.
Искусственные основания – это грунты, подвергнутые упрочнению, поскольку по механическим свойствам в своем природном состоянии (насыпные, болотистые и др.) не способны выдерживать нагрузки от зданий. Для упрочнения таких грунтов требуются различные инженерные мероприятия.
По форме в плане фундаменты делятся на: ленточные (рис. ), столбчатые (рис. ), сплошные и свайные (рис. ).
1 – подушка; 2 – блок; 3 – раствор
Рисунок . – Фундамент ленточного типа
Ленточные фундаменты состоят из бетонных блоков 2, уложенных на подушки 1 на бетонном растворе 3. Применяются в бесколонных зданиях.
1 – плиты; 2 – стакан
Рисунок . – Фундамент столбчатого типа
Столбчатые фундаменты применяются в "колонных" зданиях.
Свайные фундаменты применяют на слабых грунтах.
1 – стена; 2 – ростверк; 3 – сваи; 4 – грунт
Рисунок . – Фундамент свайного типа
Колонны являются основным элементом каркаса здания, поскольку несут на себе вертикально направленные нагрузки от стропил, покрытия (со снегом, пылью и пр.) и грузоподъемных машин, кроме того, противостоят горизонтальным (изгибающим) нагрузкам от ветра и динамических усилий от работающих мостовых кранов (рис. , поз. 4).
По виду материала стержня колонны делятся на железобетонные и стальные.
Железобетонные колонны значительно дешевле, позволяют экономить сталь, но сложнее в изготовлении и зачастую менее долговечны. Сборные железобетонные колонны бывают монолитные (сплошные) и сквозные, состоящие из двух ветвей. Сплошные железобетонные колонны имеют сечения: 400400; 500500; 400600 и 500600 мм. Колонны крайних рядов выполняют одноконсольными (несимметричными), средних – двухконсольными (симметричными).
Принципиальная схема колонны представлена на рисунке . Колонна устанавливается и закрепляется на фундаменте 1. Она состоит из нижней (опорной) части называемой башмаком (основанием) 2, средней – стержня 3 и верхней – оголовка 4.
Рисунок . – Принципиальная схема колонны
В каркасах промышленных зданий используют преимущественно металлические (стальные) колонны.
По конструкции стержня колонны делятся на сплошные и сквозные.
Сплошные стержни выполняют из простых (прокатных) профилей или составными (рис. ).
1 – прокатный профиль; 2 – лист; 3 – сварной шов
Рисунок . – Конструкции сплошных простых (а) и составных (б) стержней
Сквозные стержни изготовляют с помощью сварки из прокатных профилей (ветвей) путем соединения их планками (рис. ). По числу ветвей сквозные стержни бывают двух и четырехветвевыми.
По способу приложения нагрузки колонны делятся на центрально сжатые и внецентренно сжатые.
Центрально сжатыми, как правило, являются стержни колонн средних рядов здания, а внецентренно сжатыми – крайних. Понятно, что при одном и том же вертикальном нагружении внецентренно сжатая колонна испытывает значительно большие напряжения вследствие воздействия изгибающего момента.
1 – прокатный профиль (ветвь); 2 – соединительная планка; 3 – сварной шов
Рисунок . – Конструкции сквозных двухветвевых (а) и четырехветвевого (б) стержней
Балки, наряду с колоннами, являются частью каркаса промышленного здания и изготовляются, преимущественно, из стали определенных марок.
Назначение балок:
В зависимости от способа изготовления балки бывают простые и составные.
Простые выполняют из одиночного прокатного профиля (преимущественно двутавра). Составные выполняют из листового проката с помощью сварки. В связи с тем, что прокатные двутавровые балки имеют ограниченные размеры сечения, а нагрузки на подкрановые балки промышленных зданий (особенно зданий металлургических цехов) весьма велики, то, как правило, балки последних выполняют составными: одно– и двухстенными.
Одностенные составные балки состоят из двух поясов и одной стенки, сваренных между собой в форме двутавра. Двухстенные, кроме поясов и стенок, могут иметь технологические окна и ребра жесткости (рис. ). Ребра жесткости, кроме своей основной функции (повышения жесткости балки), служат также дополнительными опорами подкрановых рельсов. Технологические окна служат для выполнения сварных работ и осмотра состояния балок.
Составные балки изготовляют в специализированных цехах с применением полуавтоматической и автоматической сварки. В отдельных случаях при изготовлении балок облегченной конструкции применяют метод "сдвига" продольных половин балки (рис. ).
Если изготовить балку (рис. ,б) из цельного двутавра высотой , путем вырезания отверстий, то получится много отходов в виде удаленных прямоугольников.
1 – пояс; 2 – стенка; 3 – технологическое окно; 4 – ребро жесткости; 5 – сварной шов
Рисунок . – Составная двухстенная балка
1 – линия разреза; 2 – сварной шов; 3 –отверстие; 4 – обрезь
Рисунок . – Изготовление балки облегченной конструкции методом "сдвига"
Гораздо рациональнее взять за исходную балку значительно меньшей высоты () и разрезать ее стенку по зигзагообразной линии 1 (рис. ,а), затем состыковать полученные две половины и сварить (рис. ,б). Если высота () сплошной балки была взята согласно расчету, то прочность полученной балки с отверстиями или останется прежней, или даже возрастет в связи с тем, что момент сопротивления сечения, равный зависит, главным образом, от высоты сечения .
В качестве перекрытий в каркасах зданий используют плоские и пространственные стропильные фермы – железобетонные или стальные (преимущественно).
На рис. представлены конструкции стальных стропильных ферм.
а – с параллельными поясами; б – трапецеидальные; в – треугольные; г – сегментные; д – сегментные; е – вспорушенные
Рисунок . – Конструкции плоских ферм
Фермой называется конструкция, состоящая из отдельных прямолинейных стержней, соединенных в узлы при помощи сварки или болтов, реже заклепок. Как правило, одна из опор фермы является неподвижной, а вторая – подвижной (задача статически определима). В отдельных случаях обе опоры фермы могут быт неподвижными (задача статически неопределима).
К конструкции ферм предъявляются следующие требования:
Рисунок .
Способ образования ферм. Условно считают, что узлы фермы это шарниры, а значит, усилия от нагрузки воспринимают исключительно стержни, причем, желательно, чтобы эти усилия их растягивали.
Простейшим примером геометрически неизменяемой (плоской) системы является шарнирный треугольник АВС (рис. ).
Система, изображенная на рисунке ,а, является неизменяемой и состоит из трех стержней и трех узлов. Система на рисунке ,б образована добавлением к первой восьми стержней и четырех узлов. Всего узлов в ней 7, стержней – 11. Если число стержней обозначить буквой , число узлов – , то получим:
.
При числе стержней система изменяема. Так, в системе, показанной на рисунке ,в, количество стержней , узлов тоже 4.
Необходимое число стержней:
.
Следовательно, система не является неизменяемой, при условии, что стержни расставлены правильно, и для превращения ее в таковую необходимо добавить к ней минимум один стержень . Добавлением в систему "лишних" стержней добиваются повышения ее прочности, жесткости, устойчивости.
Стержни ферм работают либо на растяжение, либо на сжатие, что дает равномерное распределение напряжений по поперечному сечению элементов, поэтому фермы являются более рациональными конструкциями по сравнению с балками и др. Усилия в стержнях статически определимой фермы определяются методом вырезания узлов и методом моментных точек. Фермы, так же как колонны и балки, изготовляют на специализированных предприятиях согласно заказам строительных организаций.
а) б) в)
1 – стержни; 2 – узлы; 3 – верхний и нижний поясы;
4 – решетка
Рисунок . – Схема образования ферм
Работа металлоконструкции в естественных условиях всегда значительно сложнее принятой расчетной схемы, поскольку при составлении последней принимаются определенные допущения в связи с тем, что учесть сочетание всех факторов воздействия на конструкцию практически невозможно. Поэтому при составлении расчетной схемы выбирают главные факторы, сводя их действие к возможно простым случаям.
В систему, воспринимающую рабочие нагрузки, входят два "персонажа": конструкция и нагрузка.
В курсах "Сопротивление материалов", "Теоретическая механика" и других эти "персонажи" имеют "опосредованную" форму, в которой отброшено все "лишнее", что усложняло бы расчет. Например, самая простая "сопроматовская" схема, состоящая из силы и балки длиной , опертой на шарниры, как раз и является типичной "расчетной схемой", в которой остается "за кадром":
Указанные дополнения необходимо учитывать при расчетах металлоконструкций, к которым предъявляются повышенные требования.
Нагрузки на металлоконструкции зданий и сооружений разделяют на постоянные и временные.
К постоянным относят: собственную массу конструкции, массу кровли и стен, а также воздействие предварительного натяжения (СНиП П–6–74, п. 1.6).
Временные нагрузки бывают: длительные, кратковременные и особые.
К длительным относятся: масса временных перегородок, масса стационарного оборудования, длительные температурные технологические воздействия (например, в нагревательных печах, доменных и мартеновских печах и др.).
К кратковременным относятся: масса людей, ремонтных материалов и оборудования, нагрузки от подъемно-транспортных машин, снеговые, ветровые, от обледенения.
К особым относятся: ураганы, взрывы, землетрясения.
В процессе эксплуатации металлоконструкции редко подвергаются одновременному воздействию всех, перечисленных выше, нагрузок, поэтому, при определении расчетной нагрузки этот факт учитывается коэффициентом сочетания нагрузок, равный 0,8–0,9.
В настоящее время расчеты металлических конструкций ведут по предельным состояниям.
Предельным называется такое состояние конструкции, при котором она перестает удовлетворять эксплуатационным требованиям, т.е. теряет способность сопротивляться внешним воздействиям или получает недопустимые деформации.
Различают две группы предельных состояний.
В основном расчеты выполняют по первой группе предельных состояний: на прочность, на устойчивость, на выносливость. По второй группе расчет ведут на допустимые перемещения – прогиб, угол поворота и др.
Растяжение, сжатие
В этом случае должно быть соблюдено условие:
,
где – несущая способность конструкции;
– расчетная нагрузка.
Несущая способность конструкции определяется по формуле:
,
где – площадь поперечного сечения;
– расчетное нормативное сопротивление материала (в сопротивлении материалов – );
– коэффициент условий работы (рассчитывается);
– коэффициент надежности по назначению (1,05–1,1);
– коэффициент надежности по материалу (1,05–1,15).
Расчетная нагрузка определяется как сумма нормативных нагрузок в самом неблагоприятном сочетании:
,
где – коэффициент перегрузки для каждого силового фактора; – нормативные нагрузки (приведены в СНиП П–6–74).
Изгиб. Расчеты на прочность элементов конструкций, работающих на изгиб, выполняются по формуле:
,
где – изгибающий момент,
– момент сопротивления сечения (нетто);
– расчетное сопротивление стали по пределу текучести.
При центральном сжатии. Центрально сжатые элементы конструкций теряют эксплуатационные качества не от разрушения сечения, а от потери устойчивости элемента (выпучивания) – колонны, стержни ферм и др. Поэтому центрально сжатые элементы рассчитывают, в основном, на устойчивость. Расчетная формула имеет следующий вид:
,
где – сжимающее усилие;
– площадь поперечного сечения стержня (нетто);
– коэффициент продольного изгиба (приведен в таблицах СНиП П-21-81 и /7, с. 34/).
Значение коэффициента зависит от гибкости элемента , определяемого по формуле:
,
где – расчетная длина стержня;
– радиус инерции сечения элемента.
Расчетная длина стержня определяется следующим образом:
,
где – геометрическая длина стержня;
– коэффициент приведения длины стержня, зависящий от закрепления его концов (рис. ).
Рисунок . – К определению расчетной длины стержня длиной
Внецентренное сжатие и растяжение. При эксплуатации металлических конструкций нередко имеют место случаи одновременного воздействия на элемент растягивающего (сжимающего) усилия и изгибающего момента (рис. ).
а – внецентренное растяжение (сжатие); б – внецентренное растяжение (сжатие) с явным изгибом
Рисунок . – Схема внецентренного нагружения
В этом случае расчет ведут по формуле:
,
где – изгибающий момент (для случая на рисунке ,а ,для случая на рисунке ,б );
– момент сопротивления сечения (нетто).
Некоторые элементы каркаса промышленного здания в процессе эксплуатации испытывают сложные сочетания нагрузок, к числу каких относятся нагрузки, которые в процессе работы перемещаются вдоль элемента.
К таковым относятся транспортные средства, передвигающиеся по мостам, грузоподъемные краны, перемещающиеся по подкрановым балкам промышленных цехов и тележки грузоподъемных кранов, перемещающиеся по главным (пролетным) балкам последних.
Подвергаясь воздействию этих нагрузок, металлоконструкции (железобетонные также) "чувствуют" себя намного хуже, чем если бы эти нагрузки были неподвижными.
Смысл расчета конструкции на подвижные нагрузки заключается главным образом в том, чтобы определить значение силового фактора (изгибающего момента и перерезывающей силы) в интересующем сечении при перемещении одной или нескольких нагрузок вдоль расчетной длины (от опоры к опоре) рассчитываемого элемента. При этом очень важно найти самое "опасное" сочетание "сходимости" нагрузок и места сходимости.
При решении инженерных задач, рассматривающих действие подвижных нагрузок на металлоконструкции, пользуются методом линий влияния.
Метод линий влияния основан на принципе независимости действия сил, согласно которому каждая из сил, действующих на упругое тело, создает соответствующий ей эффект вне зависимости от действия других сил на то же тело, т.е. суммарный эффект от действия системы сил равен сумме эффектов от действия каждой силы в отдельности.
Линией влияния какой-либо величины называется график, изображающий зависимость этой величины, возникающей в каком-либо месте конструкции (сечении балки, фермы и др.) от положения единичного груза постоянного направления при его перемещении вдоль конструкции.
Метод линий влияния дает возможность:
Линии влияния строятся двумя методами: статическим и кинематическим.
Ознакомимся со статическим методом.
Линии влияния опорных реакций
Пусть вдоль балки (рис. ,а) перемещается единичная сила , которая в данный момент находится в точке, отстоящей от опоры на расстоянии .
Определяем реакцию в опоре :
,
отсюда, поскольку , получим:
. (.)
Из выражения видно, что величина реакции линейно зависит от , поэтому, для построения линии влияния реакции , достаточно знать ее значение для случаев расположения силы в любых двух точках балки и провести через них прямую. В случае расположения единичной силы в опорах и получим, что при , при (рис. ,б).
Аналогично из имеем , т.о. линия влияния реакции выглядит, как показано на рис. ,в.
Рисунок . – Линии влияния опорных реакций
Линия влияния поперечной силы
Построим линию влияния поперечной силы для сечения "" балки (рис. ,а) при перемещении единичной силы между опорами и .
Пусть сечение "" расположено на расстоянии от опоры и на расстоянии от опоры .
В том случае, когда , поперечная сила в сечении "" является величиной положительной и равна реакции (рис. ,б). Когда , поперечная сила в сечении "" является величиной отрицательной и равна реакции . Соответственно, при имеем , а при имеем .
Рисунок . – Линия влияния поперечной силы в сечении ""
Линия влияния изгибающего момента
Возьмем, как и в предыдущем случае, балку с единичной нагрузкой , движущейся вдоль нее (рис. ,а). Для сечения "", находящегося на расстоянии от опоры и на расстоянии от опоры , линия влияния изгибающего момента представлена на рис. ,б.
Пока (нагрузка находится левее сечения "") момент в сечении равен:
. (.)
Таким образом, при имеем , а при .
Рисунок . – Линия влияния изгибающего момента в сечении ""
Когда (нагрузка находится правее сечения "") момент в сечении равен:
. (.)
Таким образом, при имеем , а при .
Как видно, обе ветви линии влияния пересекаются в точке под сечением "" и значение ординаты линии влияния можно получить из выражения или , подставив значение :
.
Как "читать" линию влияния
Имея линию влияния, можно, пользуясь принципом независимости действия сил, определить значение величины (реакции, поперечной силы, изгибающего момента), получающееся от действия любой системы сил.
В качестве примера рассмотрим линию влияния изгибающего момента (рис. ). Так на рис. ,а показаны три различных положения единичной силы , с координатами , а на рис. ,б обозначены ординаты величин изгибающего момента в сечении "", создаваемого этой силой. Действительное значение изгибающего момента в сечении "", создаваемого реальной силой , приложенной в одной из точек , определяется путем умножения соответствующей ординаты на величину данной силы.
Так, к примеру, если сила приложена в точке , то действительное значение изгибающего момента в сечении "" будет равно ,
Следует сказать, что линии влияния строятся не только для сплошных балок, но и для решетчатых ферм. В последнем случае строятся линии влияния усилий в стержнях. "Нагружая" затем линии влияния, определяют действительные усилия в стержнях и по ним выбирают сечения, так же, как по "нагруженным" линиям влияния изгибающих моментов и поперечных сил балок рассчитывают действительные моменты и поперечные силы, по которым определяют сечения последних.
Рисунок . – Пример "чтения" линии влияния
В качестве примера рассмотрим задачу определения наибольшего изгибающего момента в двухопорной балке от действия ходовых колес тележки.
При расчете крановых балок, подверженных воздействию подвижных связанных грузов (ходовых колес тележки), необходимо найти то сечение балки, которому соответствует максимальный изгибающий момент. Известно, что это сечение будет под одним из сосредоточенных грузов. Определим, например, – как следует расположить четырехколесную крановую тележку, чтобы получить наибольший изгибающий момент (рис. ,а).
Рисунок . – Значение максимальных изгибающих моментов при двух подвижных грузах на простой балке
Пусть на балку действуют силы и , равнодействующая которых равна . При этом . Левая опорная реакция будет равна , а изгибающий момент под силой , расположенной на расстоянии от опоры , определится выражением:
. (.)
Данное выражение представляет собой уравнение параболы, которая действительна на участке (рис. ,б). Точка соответствует положению тележки, когда колесо 2 находится над опорой . Нулевые точки параболы определяются из выражения:
,
откуда имеем и .
Для определения координаты , соответствующей максимальному значению изгибающего момента, производную от выражения по , приравняем нулю. Тогда
,
откуда
.
Подставив полученное выражение в , после преобразования получим:
. (.)
Для определения максимального изгибающего момента под колесом 2 тележки возьмем ее положение, при котором колесо 2 располагается на расстоянии от правой опоры . В этом случае опорная реакция будет равна , а изгибающий момент под силой :
. (.)
Аналогично выражению , полученное выражение представляет собой уравнение параболы, которая действительна на участке (рис. ,б). Точка соответствует положению тележки, когда колесо 1 находится над опорой . Нулевые точки параболы определяются из выражения:
,
откуда имеем и .
Для определения координаты , соответствующей максимальному значению изгибающего момента , производную от выражения по , приравняем нулю. Тогда
,
откуда
.
Подставив полученное выражение в , после преобразования получим:
. (.)
Анализ выражений и показывает, что в рассматриваемом случае, когда , имеем и, соответственно, .
В настоящее время используют три вида соединений металлических (стальных) конструкций: сварные, болтовые и заклепочные. Самое широкое распространение получили сварные соединения, за ними идут болтовые и последнее место занимают заклепочные.
Сварные соединения характеризуются наименьшей трудоемкостью, удобством и быстротой осуществления при достаточной прочности, но могут применяться только при изготовлении неразъемных конструкций.
Болтовые соединения используют в разъемных конструкциях и в тех случаях, когда сварка по каким-либо причинам затруднительна.
Заклепочные соединения в настоящее время находятся, можно сказать, в стадии "отмирания" и используются, преимущественно, в конструкциях, подверженных знакопеременным нагрузкам и вибрациям. Они весьма трудоемки и осуществление их сопряжено с сильным шумовым эффектом, вредно влияющим на здоровье людей, а также требует специального оборудования как то: нагревательное устройство, воздухоснабжение, специальный пневмоинструмент.
По конструкции сварные соединения разделяют на два основных типа: стыковые и внахлестку (рис. ).
Соединения внахлестку в свою очередь бывают без накладок и с накладками, кроме того, их делят на лобовые и фланговые. Все остальные соединения представляют собой комбинации первых двух типов.
а – стыковое; б – внахлестку
Рисунок . – Примеры сварных соединений
Стыковые швы
При центральном растяжении или сжатии стыковой шов рассчитывают по формуле:
,
где – усилие растяжения или сжатия;
– наименьшая толщина соединяемых элементов;
– расчетная длина шва:
,
где – наименьшая ширина свариваемых деталей);
– расчетное сопротивление материала шва по пределу текучести;
– коэффициент условий работы (0,851).
Фланговые швы
Фланговые швы рассчитывают по условию прочности на срез, при этом делается допущение, что напряжения среза и растяжения вдоль шва распределяются равномерно.
При проектировании сварного соединения, изображенного на рис. , следует иметь в виду, что усилие , приложенное по оси , распределяется на верхние и нижние швы неравномерно.
Рисунок . – Пример сварного соединения с фланговыми швами
Условие прочности соединения имеет вид:
, (.)
где – катет шва;
– суммарная длина всех четырех швов;
– расчетное сопротивление металла шва по срезу.
Катет шва принимают обычно равным наименьшей толщине соединяемых элементов . Из выражения определяют суммарную длину швов .
Затем находят длины верхних и нижних швов из условия, что:
,
откуда имеем:
.
Следует знать, что длина флангового шва должна быть не менее 40 мм и не более .
В соединениях строительных (стальных) конструкций применяют болты: грубой, нормальной, повышенной точности и высокопрочные.
Соединения с болтами разной точности отличаются зазорами между болтом и отверстием. Так зазоры болтов грубой точности составляют 2–3 мм, нормальной 0,3–0,5 мм, повышенной – отрицательный зазор (т.е. болты вставляются в отверстия с натягом) 0,43–0,52 мм.
Изготовляют болты (для соединений металлоконструкций) диаметром 12–48 мм с длиной стержня 25–300 мм из стали марок ВСт3, ВСт5, 14ГС, 15ГС, 40Х, 48ХФА и др.
В зависимости от характера соединения болты в нем имеют условные обозначения, показанные на рис. .
а – постоянные; б – временные; в – высокопрочные; г – отверстия
Рисунок . – Условное обозначение болтов и отверстий
Болты грубой, нормальной и повышенной точностей рассчитывают из условий их работы на срез по плоскости сдвига соединяемых элементов и на смятие рабочих поверхностей болта и стенки отверстия элемента. Соединение на высокопрочных болтах способно обеспечить "нескольжение" соединяемых полос друг относительно друга путем создания необходимой силы трения между ними соответствующей затяжкой болта. В таком случае расчет болтового соединения производится из условия работы болта на растяжение.
Рассмотрим указанные выше случаи расчета болтовых соединений (рис. ):
,
где – расчетное усилие, действующее на соединение;
– суммарная площадь поперечного сечения болтов;
– количество плоскостей среза (в рассматриваемой схеме имеем две плоскости среза);
– расчетное сопротивление болта на срез;
– коэффициент условий работы соединения (0,85–1).
Из приведенного выражения определяют суммарную площадь поперечного сечения болтов , затем, исходя из количества болтов в соединении, находят их диаметр .
,
где – максимальное напряжение смятия (определяется исходя из конструктивных особенностей соединения), испытуемое болтом (или стенкой отверстия);
– расчетное сопротивление на смятие;
– коэффициент условий работы.
Применительно к рисунку три поверхности площадью испытывают напряжения смятия, равные:
.
Рисунок . – Расчетная схема болтового соединения
Диаметр болта находят по максимальному значению найденных напряжений.
Условие работоспособности соединения:
, (6.2)
где – коэффициент запаса надежности соединения;
– суммарная площадь болтов нетто (т.е. по впадинам резьбы);
– коэффициент трения между элементами;
– количество плоскостей трения;
– расчетное сопротивление материала болта на растяжение.
Из этого выражения находят суммарную минимальную площадь болтов . Затем, зная количество болтов , определяют минимальный диаметр одного болта из выражения:
.
Болт выбирают по внутреннему диаметру резьбы из условия:
.
1. Кочетов В.А. Римский бетон. – М.: Стройиздат, 1991. – 111 с.
2. Лопатто А.Э. Из истории развития строительных конструкций. – К.: Будівельник, 1990. – 160 с.
3. Болдырев А.С. Строительные материалы.: Справочник. – М.: Стройиздат, 1989. – 567 с.
4. Щербаков А.С. Основы строительного дела. – М.: Высшая школа, 1994. – 399 с.
5. Кубланов Н.П., Спенглер И.К. . Строительная механика и металлические конструкции кранов. – К.: Будівельник, 1968. – 258 с.
6. Вершинский А.В., Гохберг М.Н., Семенов В.П. Строительная механика и металлические конструкции. – Л.: Машиностроение, 1984. – 231 с.
7. Файбишенко В.К. Металлические конструкции. – М.: Стройиздат, 1984. – 336 с.
8. СНиП 11-23-81. Часть П, глава 23. М.: 1998. – 94 с.
9. Мандриков А.П. Примеры расчета металлических конструкций. – М.: Стройиздат, 1991. – 427 с.
50