Стальные строительные конструкции. Расчёт, проектирование, термостойкость


А. В. Титенок





        СТАЛЬНЫЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ

РАСЧЁТ, ПРОЕКТИРОВАНИЕ, ТЕРМОСТОЙКОСТЬ

Учебное пособие












Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 624.014
ББК 38.54
    Т45

Рецензенты:
доктор технических наук, профессор, проректор по перспективному развитию Брянского государственного технического университета
А. В. Киричек;
генеральный директор ООО «Техпромстрой» А. П. Трибушинин


    Титенок, А. В.
Т45 Стальные строительные конструкции. Расчёт, проектирование, термостойкость : учебное пособие / А. В. Титенок. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. -216 с. : ил., табл.
           ISBN978-5-9729-1054-0

      Рассмотрены принципы расчёта и проектирования основных элементов стальных строительных конструкций, а также типового проекта стального каркаса промышленного здания. Приведены данные о методах расчёта термостойкости стальных конструкций зданий и сооружений во время пожара.
    Для студентов строительных направлений всех форм обучения.

УДК 624.014
ББК 38.54
















ISBN 978-5-9729-1054-0

     ©ТитенокА. В.,2022
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

ОГЛАВЛЕНИЕ

         Предисловие............................................ 6
Глава 1. Общие сведения о строительной стали.................... 7
         1.1. Механические характеристики строительной стали.... 7
         1.2. Классификация строительной стали................. 13
         1.3. Упругая и пластическая работа стали в конструкции.   15
         Контрольные вопросы к главе 1......................... 18
Глава 2. Общие сведения о стальных строительных конструкциях....   19
         2.1. Достоинства и недостатки стальных конструкций..... 19
         2.2. Классификационные признаки стальных конструкций .... 21
         2.3. Сортамент для стальных конструкций............... 23
         2.4. Общие технические требования к стальным конструкциям 25 2.5. Предельные состояния стальных конструкций и нормативные расчётные нагрузки...................... 27
         Контрольные вопросы к главе 2......................... 30
Глава 3. Работа под нагрузкой и расчёт элементов стальных конструкций................................. 31
         3.1. Сжатые элементы.................................. 31
         3.2. Растянутые элементы.............................. 35
         3.3. Изгибаемые элементы.............................. 35
         3.4. Работа стержня при кручении...................... 39
         Контрольные вопросы к главе 3......................... 42
Глава 4. Соединения элементов стальных конструкций............. 43
         4.1. Сварные соединения............................... 43
         4.2. Общие особенности работы сварных соединений....... 45
         4.3. Рекомендации по сборке конструкций для сварки.....   57
         4.4. Рекомендации по сварочным работам................ 59
         4.5. Заклёпочные и болтовые соединения................ 60
         4.6. Рекомендации для изготовления конструкций с болтовыми соединениями.............................. 65
         4.7. Рекомендации по защите соединений конструкций от коррозии........................................... 67
         Контрольные вопросы к главе 4......................... 70
Глава 5. Стойки и колонны...................................... 71
         5.1. Типы поперечных сечений стоек.................... 71
         5.2. Устойчивость стоек со сплошными поперечными сечениями................................. 72
         5.3. Прочность и устойчивость стоек с составными поперечными сечениями.................... 76
         5.4. Соединительные элементы стоек.................... 77
         5.5. Стыки стоек...................................... 80
         5.6. Базы и оголовки стоек............................ 81
         5.7. Примеры стоек.................................... 81

3

         5.8. Колонны........................................... 83
            5.8.1. Назначение колонн............................ 83
            5.8.2. Расчёт сечения центрально-сжатых колонн..... 85
            5.8.3. Расчёт сечения внецентренно-сжатых колонн... 87
            5.8.4. Конструкция оголовков колонн................. 87
            5.8.5. Конструкция баз колонн....................... 88
            5.8.6. Рекомендации для проектирования баз колонн..    92
            5.8.7. Рекомендации для проектирования стержня колонны 94
            5.8.8. Рекомендации для проектирования стыков колонн.. 96
         Контрольные вопросы к главе 5.......................... 98
Глава 6. Балки.................................................. 99
         6.1. Общие сведения о балках........................... 99
         6.2. Общая устойчивость балок......................... 100
         6.3. Местная устойчивость элементов балок............. 101
         6.4. Порядок расчёта и выбора сечения прокатных балок. 106
         6.5. Пример расчёта и конструирования балки........... 111
         6.6. Рекомендации для проектирования балок............ 119
            6.6.1. Выбор сечения балок и проектирование балочных клеток.................................... 119
            6.6.2. Шарнирная основа балок на колоннах.......... 121
            6.6.3. Жёсткая основа балок на колоннах............ 122
            6.6.4. Соединения балок............................ 124
            6.6.5. Узлы балок для коммуникаций................. 124
         Контрольные вопросы к главе 6......................... 125
Глава 7. Решётчатые конструкции (фермы)........................ 126
         7.1. Типы ферм........................................ 126
         7.2. Определение нагрузок и усилий в стержнях......... 127
         7.3. Поперечные сечения стержней...................... 127
         7.4. Узлы ферм........................................ 131
         7.5. Специальные конструкции ферм..................... 134
         7.6. Стыковые соединения поясов ферм.................. 137
         7.7. Пример расчёта фермы............................. 140
         Контрольные вопросы к главе 7......................... 143
Глава 8. Типовой стальной каркас производственного здания......    144
         8.1. Основные расчетные положения при проектировании каркасов........................... 144
         8.2. Компоновка поперечной рамы цеха.................. 145
         8.3. Компоновка конструкций покрытия.................. 147
         8.4. Система связей каркаса промышленного здания...... 152
         8.5. Расчет и конструирование подкрановых балок....... 154
         8.6. Нагрузки на стропильную ферму.................... 162
         8.7. Нагрузки на раму цеха............................ 165
             8.7.1. Постоянные нагрузки........................ 165

4

            8.7.2. Снеговая нагрузка........................... 167
            8.7.3. Ветровая нагрузка........................... 167
            8.7.4. Нагрузка от мостовых кранов................. 170
         8.8. Определение приближенных значений жесткостей сечений подкрановой и надкрановой частей колонн.......   172
         8.9. Учет пространственной работы каркаса при расчете поперечных рам............................. 173
         8.10. Определение внутренних усилий в колоннах от постоянной и снеговой нагрузок...................... 177
         8.11. Определение внутренних усилий в колоннах от ветровой нагрузки................................... 178
         8.12. Определение расчетных усилий в характерных сечениях левой колонны................... 179
         8.13. Определение расчетных длин колонн............... 181
         8.14. Подбор и проверка сечения надкрановой части колонны 181
         8.15. Подбор и проверка сечения подкрановой сквозной части колонны..................... 185
         8.16. Расчет и конструирование узла сопряжения верхней и нижней частей колонны........................ 190
         8.17. Расчет и конструирование базы колонны........... 193
         Контрольные вопросы к главе 8......................... 200
Глава 9. Термостойкость стальных строительных конструкций.....   201
         9.1. Пределы термостойкости стальных конструкций..... 201
         9.2. Способы повышения огнестойкости стальных конструкций................................... 201
         9.3. Оценка огнестойкости стальных конструкций........ 202
         9.4. Расчет огнестойкости стальных конструкций........ 205
        9.5. Последствия термического воздействия
        на стальные строительные конструкции                    209
        Контрольные вопросы к главе 9.......................... 211
        Литература............................................. 212

5

     Предисловие

     Учебное пособие создано на основе материалов дисциплины «Строительные конструкции», по которой автор вел занятия для студентов очной и заочной формы обучения. Учебное пособие состоит из девяти глав.
     В первой главе представлены общие сведения о строительной стали, её характеристиках и поведении в процессе воздействия нагрузки. Во второй главе приведены сведения о стальных строительных конструкциях, их характеристиках и предъявляемых к ним требованиях. Третья глава посвящена работе элементов строительных конструкций при воздействии на них нагрузки.
     В четвёртой главе рассмотрены основные типы соединений стальных строительных конструкций - сварных и болтовых. Приведены рекомендации по изготовлению стальных конструкций с такими соединениями и по их защите от агрессии окружающей среды.
     Пятая глава посвящена несущим конструкциям - стойкам и колоннам. В шестой главе рассмотрены стальные балки. Обе эти главы содержат рекомендации по проектированию рассмотренных объектов. Седьмая глава посвящена решётчатым конструкциям - фермам.
     В восьмой главе рассмотрены принципы расчёта и проектирования типового стального каркаса промышленного здания. Все эти главы содержат необходимые теоретические сведения и соответствующие примеры расчётов.
     Девятая глава создана на основе материалов, применяемых автором в период ведения дисциплины «Здания, сооружения и их устойчивость при пожаре» и посвящена термостойкости стальных строительных конструкций в таких чрезвычайных ситуациях. В конце учебного пособия приведен список используемой и рекомендуемой литературы.
     Учебное пособие ориентировано на предметы, связанные с проектированием и эксплуатацией зданий и сооружений.
     Задачи, решаемые в учебном пособии: систематизировать сведения о расчёте и проектировании стальных строительных конструкций; дать представления об их живучести, обосновать правила выбора элементов этих конструкций; ознакомить с системой защищенности стальных конструкций зданий и сооружений в процессе пожара.

6

     Глава 1. Общие сведения о строительной стали


     1.1. Механические характеристики строительной стали


      При выборе стали для элемента конструкции исходят из условия работы с достаточным запасом надежности. Материалом для строительных металлических конструкций являются прокатная сталь. Поведение стали в конструкции определяют её механические характеристики: упругость, пластичность, хрупкость, прочность, выносливость, термостойкость и др. Эти характеристики находят опытным путём, испытывая образцы материала на специальных установках.
      Все элементы конструкции в процессе эксплуатации подвергаются воздействию нагрузок. Нагрузки могут растягивать, сжимать и изгибать строительную конструкцию, действовать плавно, постепенно (статически) или мгновенно (динамически), изменяя форму элемента. Если к стальному образцу приложены сравнительно небольшие нагрузки, то после прекращения их действия его форма восстанавливается (рис. 1.1, а). Такой вид деформации называют упругой деформацией, а материал, обладающий свойством упругости, называют упругим.
      Если к стальному образцу приложить большие усилия, то после прекращения их действия он может не приять своей первоначальной формы и останется деформированным (рис. 1.1, б). Такую деформацию называют пластической деформацией, а материал, обладающий этим свойством, называют пластическим (пластичным). Способность материала деформироваться под действием внешних нагрузок не разрушаясь, и при этом сохранять измененную форму после прекращения действия усилий называют пластичностью.

Рис. 1.1. Образцы до и после испытаний: а - хрупкого материала; б - пластичного материала

7

      Материалы, не способные к пластическим деформациям, называются хрупкими . Такие материалы под действием нагрузки или удара могут разрушаться внезапно. Закаленная сталь - это хрупкий материал. Стальные строительные конструкции изготовляют из пластических сталей.
      Прочность строительной стали характеризуется максимальной нагрузкой, которую, не разрушаясь, выдерживает испытуемый стальной образец.
      Для определения прочностных характеристик стали испытания проводят на разрывных машинах, снабженных устройством, записывающим диаграмму растяжения (сжатия) - это график изменения нагрузки F в зависимости от величины абсолютного удлинения Д1 образца (рис. 1.2).

Рисунок 1.2. Диаграмма растяжения стального образца

      На рис. 1.3 показан процесс разрушения стального образца в координатах: нагрузка F - длина образца l. Такая диаграмма зависит от размеров образца и физических свойств материала. Для исключения этой зависимости диаграмму перестраивают в координатах относительная деформация е - напряжение а (напряжение - это удельная сила, равная отношению действующей силы F к площади поперечного сечения A испытуемого образца) путем уменьшения ординаты в А₀ раз, а абсциссы - в l₀ раз (А₀, l₀ - площадь поперечного сечения и длина недеформированного образца). В таком виде диаграмма характеризует только свойства материала образца. Толстой линией на рисунке 1.2 обозначена истинная диаграмма, пунктирной линией - условная диаграмма, полученная без учета изменения поперечного сечения образца.

8

Рис. 1.3. Процесс разрушения стального образца при растяжении

     Рассмотрим характеристики прочности стали. Диаграмму а-s можно условно разделить на 4 зоны. Зона упругости (первая зона OD), где свойства материала подчиняются закону Гука, сущность которого в том, что удлинения пропорциональны вызвавших их нагрузкам - уточненное и положенное в основу теории деформации упругого тела: ЛЬ = F L /E A или £ = о Е.
     Наибольшее напряжение, до которого материал следует закону Гука, называют пределом пропорциональности аП. Угол наклона прямой: аЛ = -ЛООА = arctg s / а = arctg E, где Е - модуль упругости материа-ла (характеристика упругого сопротивления внешним нагрузкам - чем больше эта величина, тем сильнее возрастают напряжения с ростом деформации): tg s/ а--а = Е.
     Модуль упругости материала Е является постоянной характеристикой лишь на участке диаграммы, соответствующим упругим деформациям. Дальнейший рост нагрузки приводит к изменению Е в значительных пределах -см. нижний график на рис. 1.2. На рис. 1.4 показан образец до и после разрушения.
     При проектировании элементов конструкций иногда важно знать напряжения, вызывающие первые остаточные деформации (0,002...0,005 %), которые называют пределом упругости ау. Величины аП и ау, как правило, трудно поддаются определению, поэтому их не помещают в справочниках. Перпендикуляр из точки, соответствующей ау, на ось абсцисс делит диаграмму на 2 части: область упругих и область пластических деформаций.

9

Рис. 1.4. Стандартный стальной образец: диаметр 10 мм; l₀ — длина до разрушения; 11 - длина после разрушения

     Вторая зона DM - зона общей пластичности. Для нее характерно существенное увеличение деформации (длины) образца без заметного увеличения напряжения (нагрузки). В этой зоне для некоторых марок стали можно наблюдать почти горизонтальный участок диаграммы - площадку текучести. Образование пластических £Р деформаций вызвано сдвигами в кристаллической решетке. Если образец разгрузить в какой-либо точке этой зоны то в процессе разгрузки зависимость между о и £ выразится прямой, параллельной прямой участка упругости (линия MA). При этом деформация, полученная на этапе нагружения, полностью не исчезает, а лишь уменьшается на величину упругой деформации £Е = оу / Е. Полная деформация равна £= £E + £Р.
     Повторное нагружение идет по прямой MA и далее - по диаграмме. Таким образом, предварительное упругопластическое нагружение образца уменьшает пластичность материала.
     Для количественной оценки напряженности материала и предотвращения больших остаточных деформаций используют важную механическую характеристику - предел текучести ог (аГР - при растяжении; огс - при сжатии) - это напряжение, при котором в материале появляется заметное удлинение образца без увеличения самого напряжения. Для тех материалов, у которых отсутствует на диаграмме явно выраженная площадка текучести, за предел текучести принимается условное значение напряжения, при котором остаточная деформация £р = 0,02...0,2 % (до 0,5 %).
     Третья зона MK - зона упрочнения. Здесь удлинение образца возрастает более интенсивно с увеличением нагрузки по сравнению с зоной упругости. В точке В относительное уменьшение площади сечения сравнивается с относительным возрастанием напряжения и напряжение а достигает максимума. Если разгрузит образец в некоторой точке этой зоны, то при последующей нагрузке отсчет деформаций будет начинаться от точки В и материал приобретает способность воспринимать без остаточных деформаций большие нагрузки.
     Явление повышения упругих свойств материала в результате предварительного пластического деформирования носит название наклепа и широко используется в технике. В некоторых случаях явление наклепа может быть неже

10

лательным. В таком случае наклеп может быть снят термической обработкой -отжигом. Четвертую зону KN называют зоной местной текучести. Здесь удлинение образца происходит с уменьшением силы и сопровождается образованием местного сужения - шейки. При этом среднее напряжение в поперечном сечении шейки возрастает. В конце происходит разрушение образца. Максимальное напряжение на диаграмме, которое способен выдержать образец при растяжении, называют пределом прочности ав (®вР — при растяжении; авс — при сжатии). Так как ав = FB / А₀, то предел прочности не равен истинному напряжению разрушения: а'в = FB / А. Он является условным показателем несущей способности материала, но благодаря простоте и удобству определения широко используется в расчетной практике как сравнительная характеристика прочностных свойств материала.
      По результатам испытаний можно определить характеристики пластичности и хрупкости. Пластичность - способность материала получать большие остаточные деформации без разрушения. В качестве меры пластичности используют: относительное остаточное удлинение образца после разрушения - 3 = (lP - l₀) /1₀ и относительное остаточное уменьшение площади поперечного сечения в шейке после разрушения - у = (А₀ - АР) / А₀. Здесь lP и l₀ -длина образца после разрушения (составлена из длин двух частей разрушенного образца) и до разрушения, А₀ и АР площадь поперечного сечения образца до испытания и площадь поперечного сечения шейки после разрушения образца. Пластичность - важное конструкционное свойство. Детали из малопластичных материалов (3< 5%; (/< 6 %) плохо сопротивляются переменным нагрузкам.
      Хрупкостью называют способность материалов разрушаться без образования заметных остаточных деформаций. Это свойство противоположно свойству пластичности. Деление материалов на пластичные и хрупкие является условным - в зависимости от напряженного состояния, скорости деформирования, температуры и других условий свойства материалов меняются.
      Показателем, характеризующим хрупкость металла, является ударная вязкость (KCV) - это работа, измеряемая с помощью испытательного устройства (маятниковый копёр) для разрушения специального стандартного образца. Чем больше ударная вязкость, тем меньше хрупкость материала. Ударная вязкость уменьшается при понижении температуры, а также после наклепа и старения.
      Многие конструкции испытывают воздействие повторяющейся нагрузки (мосты, подкрановые балки и др.). При длительном воздействии повторяющихся нагрузок конструкции разрушаются даже при напряжениях, меньших, чем предельные. Разрушение происходит внезапно, без видимой деформации, т.е. носит хрупкий характер, хотя материал может обладать прекрасными пластическими свойствами и хорошей ударной вязкостью. Внезапность характера разрушения при действии переменных нагрузок только кажущаяся. Сначала в металле появляется трещина, которая становится концентратором напряжений и постепенно всё глубже проникает в металл. По мере развития трещины поперечное сечение ослабляется и происходит разрушение.
      Разрушение при действии переменных напряжений в результате постепен

11

ного развития трещины называют усталостью материала. Способность металла сопротивляться разрушению от усталости называют выносливостью. Выносливость зависит от числа циклов нагрузки, от величин наименьшего и наибольшего напряжений цикла и от величины концентраций напряжений. Характеризуется она величиной предела выносливости aUₘ (в частности, о^ для знакопеременных симметричных нагрузок). Пределом выносливости называют наибольшее напряжение, при котором материал выдерживает без разрушения заданное число циклов (например, 2х10⁻⁶) нагрузки. На основании опытных данных устанавливают зависимость предела выносливости от других характеристик, например, от предела прочности св: св = св (0,4 ± 0,1) св. Данные о механических характеристиках материалов являются справочными и приводятся в соответствующих таблицах.
      Одна из механических характеристик стали - твёрдость. Наибольшее распространение получил способ определения твёрдости вдавливанием шарика в стальной образец. Твёрдость (НВ) по Бринеллю характеризуется отношением нагрузки Еш, действующей на шарик, к поверхности Лш отпечатка шарика:
Тш flu
НВ = — = -=-----       ,
ЛШ ^(0-752^2-)

где D — диаметр вдавливаемого шарика, мм; d — диаметр отпечатка, мм.
      По площади отпечатка шарика (лунки — АлуНк) и площади проекции отпечатка (АПР) можно определить пластичность стали:
_ ^лунк — ^ПР ^ВДАВЛ - Лдунк ■
      Между твёрдостью стали и пределом прочности существует зависимость, например, для стали твёрдостью 120-175 единиц эта зависимость выражается как ав & 0,34 НВ. Существуют способы определения твёрдости стали по Роквеллу и Викерсу. Используя специальные таблицы, можно переводить твёрдость по Бринеллю в единицы твёрдости по Роквеллу и Викерсу.
      Изменение свойств металла с течением времени называют старением. При старении металлов перестраивается их структура, из-за чего повышается предел текучести и снижается сопротивление разрушению. Старению усиливает развитие пластических деформаций и температурные колебания.
      Основные положения:
      А.      Способность материала упруго сопротивляться в пределах пропорциональности характеризуется модулем продольной упругости Е.
      Б. При малых пластических деформациях сопротивление материала характеризуется пределом текучести сТ, который является основной характеристикой прочности для пластичных металлов.
      В.      При значительных пластических деформациях сопротивление материалов, не образующих шейку, характеризуется пределом прочности св, который является основной характеристикой прочности для хрупких металлов.
      Г. Пластичность материала характеризуется величинами: относительного сужения щ и относительного удлинения 8.

12

     1.2. Классификация строительной стали

     Механические свойства сталей значительно зависят от химического состава металла и от технологии процессов металлургического производства, влияющих на кристаллическую структуру сплавов. Большое влияние на работу металла в конструкции и на его напряженное состояние оказывает конструктивная форма элемента (концентрат нагрузки - отверстия, вырезы и др.).
     Вырабатываемые металлургической промышленностью стали подразделяют на стандартные сорта, называемые марками. Все строительные стали делят на три группы в зависимости от прочности: малоуглеродистые (обычной прочности); повышенной прочности; высокой прочности. Стали подразделяют на классы, различающиеся по механическим свойствам при растяжении: пределу прочности, пределу текучести, относительному удлинению.
     В каждый класс входит несколько марок стали. Марки стали классифицируют также по химическому составу. Сталь представляет собой сплав железа с углеродом. Повышение содержания углерода увеличивает предел текучести, но возрастает и хрупкость, ухудшается свариваемость. В состав всех сталей в качестве примесей входят также фосфор и сера. Это - вредные примеси. Сера делает сталь красноломкой (возникают трещины). Фосфор придаёт стали свойство хладноломкости (трещины появляются при отрицательных температурах). Вредными являются также примеси кислорода, водорода и азота (если азот находится в химически несвязанном состоянии). Все они повышают хрупкость стали, а кислород еще действует подобно сере. Поэтому при сварке расплавленную сталь надо изолировать от воздуха.
     Сталь называют легированной, если для улучшения качества в её состав специально введены легирующие элементы, отсутствующие в обычной углеродистой стали, или если она содержит повышенное количество кремния и марганца (эти два элемента в небольших количествах входят во все стали). Чтобы получить стали повышенной и высокой прочности, вводят легирующие добавки: ванадий, хром, никель, медь и др. Химический состав сталей нормируется. Малоуглеродистые стали наиболее широко применяются в строительстве. Они пластичны, хорошо свариваются. Также применяют сталь повышенной и высокой прочности. Преимуществами этих сталей является общая экономия металла до 20-50 % в растянутых элементах конструкции и хорошее сопротивление хрупкому разрушению при низких температурах. Недостатки этих сталей заключаются в трудностях обработки при изготовлении (сложно производить правку элементов, имеющих местные деформации) и чувствительности к концентрациям напряжений (низкая вибрационная прочность).
     Если расплавленную сталь разливают из ковша в изложницы сразу (без выдержки), то она бурно кипит, выделяя много газов. Часть газов не успевает улетучиваться из затвердевающего металла, и образуются газовые пузырьки. Такую сталь называют кипящей. В элементах конструкций, полученных из кипящей стали, газовые пузырьки являются концентраторами напряжений, поэтому кипящая сталь не рекомендуют использовать для изготовления ответственных сварных конструкций. Спокойная сталь не имеет этого недостатка, но она доро-13