МК_Справочник_том_1

СПРАВОЧНИК

ПРОЕКТИРОВЩИКА

Том 1 Общая часть

1998

ПРЕДИСЛОВИЕ

Справочник содержит необходимые проектировщикам, конструкторам и науч- ным работникам сведения, рекомендации и исчерпывающие данные для расчета, разработки проектов, изготовления и монтажа металлических конструкций практически любой конструктивной формы. Приведенные в справочнике материалы базируются на обобщении многолетнего передового опыта работы ведущих в России и странах СНГ коллективов ЦНИИпроектстальконструкции им.Мельникова, Укрниипроектстальконструкции, Днепрпроектстальконструкции, Ленпроектстальконструкции, ВНИКТИстальконструкции, ЦНИИпроектлегконструкции, ВНИПИпромстальконструкции, ЦНИИСК им. Кучеренко, кафедр металлических конструкций МГСУ (б. МИСИ), НГСА (б. НИСИ), ДИСИ и многих других проектных, научно-исследовательских и учебных институтов и организаций, занимающихся разработкой проектов, анализом и исследованием металлических конструкций. В справочнике рассмотрены основные критерии выбора рациональной конструктивной формы зданий и сооружений и даны наиболее совершенные методы их расче- та. Кроме того, перед авторами справочника ставилась задача дать материал, позволяющий учитывать перспективу поступательного развития конструктивных форм и способов изготовления и монтажа металлических конструкций зданий и сооружений. В связи с этим обобщены основные тенденции развития конструктивных форм, особенности применения новых сталей, сплавов, профилей проката, типов соединений.

Âнастоящем издании впервые представлены материалы по специфике работ, связанных с реконструкцией, обследованием, усилением и определением остаточ- ного ресурса, испытанием металлических конструкций зданий и сооружений. В справочнике также впервые обобщен опыт проектирования, изготовления и монтажа таких классов сооружений, как дымовые трубы, башенные градирни, галереи, копры, крановые эстакады и др.

Âцелях компактности расположения и удобства поиска необходимых материалов справочник выполнен в трех томах. В нем принята следующая рубрикация: раздел, глава, пункты. Названия всех пунктов указаны в оглавлении. Двойная нумерация рисунков, формул и таблиц ведется в пределах одной главы.

Âпервом томе, состоящем из шести разделов, сосредоточены общие сведения по рациональному выбору и применению сталей, профилей и соединений, стати- ческому и динамическому расчету конструктивных элементов и систем, использованию эффекта предварительного напряжения, приведены рекомендации по выбору эффективных методов защиты от коррозии. Изложены требования к конструкциям, вытекающие из учета особенностей современной технологии изготовления, транспортирования, монтажа и требований экономики. Завершают том основные правила оформления рабочей документации, вспомогательные материалы для подбора сечений элементов конструкций, наиболее распространенные нормали конструкции, развертки сложных поверхностей и другие материалы и таблицы, облег- чающие труд проектировщика и конструктора.

Второй том включает в себя два раздела, соответствующие двум основным классам сооружений: первый - конструкциям каркасов производственных зданий и второй - стальным сооружениям с преимущественным использованием листового проката. В первом разделе содержатся рекомендации по первичному упорядоче- нию объемно-планировочных параметров зданий, приведены исчерпывающие све-

3

дения, необходимые при разработке проектов одноэтажных и многоэтажных зданий, в том числе с применением различных систем традиционных и крупнопролетных покрытий, а так же зданий из легких металлических конструкций комплектной поставки. Даны рекомендации по компоновке и выбору оптимальных схем каркаса, их расчету, а также методология и примеры решения отдельных элементов каркасов, площадок, фахверков и узловых соединений.

Во втором разделе листовых конструкций изложены рекомендации и необходимые справочные данные по выбору параметров, схем, компоновке сечений, выполнению расчетов конструкции кожухов доменных печей, воздухонагревателей, резервуаров, газгольдеров, бункеров, силосов, дымовых труб и надземных трубопроводов.

Третий том включает в себя три разнородных, но весьма актуальных раздела. Первый раздел содержит общие сведения о специфических нагрузках и воздействиях, особенностях выбора конструктивных и расчетных схем, компоновке сече- ний, используемых материалах, методах монтажа и их влияния на проектные решения решетчатых пространственных сооружений таких, как мачты и башни и системы из них, радиотелескопы, башенные градирни, открытые крановые эстакады, транспортерные галереи и надшахтные копры. Во втором разделе изложены основные положения и рекомендации по проектированию алюминиевых конструкций, рассмотрены области рационального их применения в строительстве, даны основания для выбора марок сплавов, типов профилей и методов соединений, изложены особенности расчета конструкций из этого материала. В третьем разделе приведены практические соображения, рекомендации и положения, регламентирующие надлежащее проведение реконструктивных и обследовательских работ, проектирование необходимого усиления существующих объектов, а также организацию и оснащение натурных и модельных экспериментальных испытаний и исследований металлических конструкций эксплуатируемых зданий и сооружений.

4

ВВЕДЕНИЕ

Âпредлагаемом справочнике рассмотрены основополагающие принципы выбора рациональной конструктивной формы зданий и сооружений из металла, приведены рекомендации и основные указания, необходимые для профессионально грамотного выполнения расчетов, разработки проектной документации и реализации проекта на заводе и строительной площадке. Материалы справочника в сжатом и систематизированном виде знакомят с передовым отечественным и зарубежным опытом проектирования металлических конструкций различного назначения, содержат последние сведения об особенностях применяемых материалов, профилей проката, видов соединений, дают представление о современных идеях, технических приемах и методах повышения эффективности использования металлических конструкций зданий и сооружений.

Âразвитии конструктивных форм металлических конструкций в нашей стране обычно отмечают три характерных этапа. Первый этап - дореволюционный, когда создание конструктивной формы было подчинено требованию экономии металла и основывалось на успехах практических достижений строительной механики конца XIX - начала XX веков, обеспечивающих возможность получения теоретически оптимальных схем.

На втором послереволюционном этапе конструктивная форма, принимаемая на основе минимума веса, стала испытывать постепенно усиливающееся влияние перехода от кустарных способов изготовления и монтажа к механизированным индустриальным методам выполнения этих видов работ. Одновременно с этим несоизмеримые по сравнению с предыдущим этапом масштабы строительства делали все более острой проблему существенного увеличения производства металлоконструкций и снижения трудоемкости их изготовления. Под влиянием изложенных объективных факторов к конструктивной форме стали предъявляться наряду с экономией металла требования снижения трудозатрат при производстве и возведении, а также обеспечение необходимой долговечности при существенно ужесточающихся условиях и режимах эксплуатации.

Заметным событием этого периода, оказавшим большое влияние на последующее развитие металлических конструкций, было внедрение электродуговой сварки. Переход на сварку вместо клепки привел к необходимости пересмотра не только принципов формообразования конструкции, но и способов их изготовления и монтажа.

На третьем послевоенном этапе, вплоть до начала 90-х годов, конструктивная форма металлических конструкций испытывала возрастающее влияние трех главных воздействий:

∙постоянного неутоленного спроса народного хозяйства на строительные металлические конструкции;

∙конкурирующего с металлом бурного развития индустрии сборных железобетонных конструкций;

∙ужесточения требований к металлическим конструкциям как естественного следствия развития науки и техники, сопровождающегося значительных ростом мощности единичных технологических агрегатов и форсированием режимов их работы, а также возникновением многих новых производств и технологий, созданием ранее неизвестных и совершенствованием традиционных эффективных материалов.

5

За истекшие пять десятилетий отечественная наука о металлических конструкциях прошла огромный путь и заняла достойное место в мировой строительной технике. Крупнейшим достижением ученых, строителей и исследователей является переход от расчета по допускаемым напряжениям на расчет строительных конструкций по предельным состояниям. Метод расчета по предельным состояниям поставил обеспечение прочности и надежности конструкции на научную основу и впоследствии получил распространение в зарубежной практике.

Фундаментальные теоретические и экспериментальные исследования были выполнены по уточнению расчета традиционных стержневых и оболочечных конструкций. Разработаны и внедрены в практику методы расчета конструкций на сопротивление хрупкому и усталостному разрушению. Проведены многочисленные исследования, обосновывающие возможность учета нелинейной работы материала в упругопластической стадии. Изучен механизм пространственного перераспределения усилий, использование работы некоторых элементов в закритической стадии.

Исследована рациональность применения стержней с весьма гибкими стенками при работе на поперечный изгиб, подтверждена рациональность использования вантовых, висячих и мембранных систем, разработана теория их расчета и принципы формообразования с учетом изменчивости всех параметров, их физической и геометрической нелинейности. Заметный эффект был достигнут благодаря повышению расчетных сопротивлений стали в результате разработки теоретической модели связи между количеством отказов конструкции и уровнем расчетного сопротивления материала.

На основании анализа зданий и сооружений по степени экономической и социальной ответственности ЦНИИСКом были разработаны предложения по дифференциации коэффициента надежности по назначению; включение в нормы этих коэффициентов, равных 0,95 и менее, для большинства рядовых зданий и сооружений позволило снизить расход стали не менее чем на 3 %.

Послевоенный период также ознаменовался широкой модернизацией технологии заводского изготовления металлических конструкций и интенсивным строительством новых предприятий по производству стальных и алюминиевых конструкций с использованием современного оборудования, поточных и автоматизированных технологических линий.

С позиций существенной экономии металла и расширения целесообразной области применения металлических конструкций особого акцента заслуживает широкомасштабная совместная работа строителей и металлургов страны по созданию, всестороннему исследований и промышленному внедрению сталей и сплавов с высокими прочностными характеристиками, а также по совершенствованию и разработке новых эффективных горячекатаных и холодноформованных профилей. Эта работа вооружила проектировщиков богатейшим арсеналом средств для решения насущных задач капитального строительства.

Разработаны и широко используются низколегированные стали повышенной и высокой прочности, термоупрочненные с прокатного нагрева углеродистые стали, атмосферостойкие стали, хладостойкие стали для северного исполнения, стали повышенной пластичности с гарантированным относительным сужением в направлении толщины проката, специальные стали для изотермических резервуаров и др. Для нужд строительства налажено производство широкополочных двутавров и тавров, а также швеллеров и двутавров с тонкими стенками, поставляются тонкостенные открытые и замкнутые гнутосварные профили, обладающие рациональным распределением материала по сечению. Среди видов прокатных изделий особого внимания заслуживает сортамент стальных оцинкованных профилированных листов для ограждающих конструкций стен и кровель.

6

Благодаря применению легких ограждающих конструкций снизился расход стали на несущие конструкции, и одновременно были созданы условия для организации принципиально нового конвейерного способа сборки и монтажа крупными блоками покрытий зданий. При такой организации работ на монтаже отпадает необходимость в трудоемких и опасных операциях на высоте, появляется возможность совмещенного во времени производства работ по прокладке надземных коммуникаций, устройству полов, фундаментов под оборудование и т.п., существенно растет эффективность использования монтажных кранов, благодаря специализации рабочих на конвейере возрастает производительность и качество труда, представляется возможность непрерывного, вне зависимости от погодных условий, ведения отделочных работ.

Кровли на основе оцинкованного стального профилированного листа и эффективного утеплителя положили начало целой серии новых складывающихся мобильных каркасов покрытий зданий. И, наконец, на базе этого нового типа ограждающих конструкций стен и кровель возникла целая отрасль так называемых легких металлических конструкций одноэтажных зданий, комплектно поставляемых на стройки со множеством специализированных заводов-изготовителей.

Целям повышения степени индустриальности, сокращению сроков проектирования и строительства, снижению их стоимости и повышению качества возводимых зданий и сооружений способствовала проведенная в послевоенный период масштабная работа по типизации проектных решений на базе унификации объемнопланировочных, конструктивных и технологических решений конструкций и изделий.

Теоретические положения и методология типизации в строительстве получили развитие благодаря трудам ученых Е.И. Белени, Н.С. Стрелецкого, К.К. Муханова, В.В. Захарова и многих других. Изыскание способов наиболее целесообразного с точки зрения всего народного хозяйства уменьшения количества различающихся элементов сопровождалось созданием методики технико-экономических исследований эффективности унификации схем и размеров, а также принципов типизации конструкций и содействовало успешному развитию типового проектирования и, в том числе, в металлостроительстве. На описанной выше основе была осуществлена разработка типовых стальных конструкций одноэтажных промышленных зданий, градирен, транспортерных галерей, кранов-перегружателей, мачт и башен объектов связи, опор ЛЭП и др. Массовое использование типовых конструкций и типовых проектов продемонстрировало большое значение этих работ для сокращения времени проектирования объектов, а также на подготовку к строительству и размещению заказов на изготовление.

В соответствии с традициями отечественной школы проектирования металличе- ских конструкций, берущей свое начало от таких корифеев как В.Г.Шухов и Н .С. Стрелецкий, в проектах стальных конструкций последних перед перестройкой лет начинают широко применяться новые инженерные решения, существенно повышающие эффективность капитальных вложений, сберегающие металл и труд. Распространенным приемом является использование развитых пространственных систем в виде жесткого связевого диска в уровне покрытия или перекрытия, опертого на неподатливые связевые системы торцов здания, вертикальные диафрагмы, подкосы или встроенные жесткие этажерки.

Оптимальным сочетанием жестких и шарнирных узлов соединений ригелей с колоннами, а также некоторым усовершенствованием расчетных схем нередко удается исключить или сократить количество продольных и поперечных температурных швов в многопролетных протяженных зданиях и благодаря этому снизить расход металлопроката.

7

Среди других, успешно реализуемых инженерных идей, направленных на экономию стали, отметим:

∙создание конструктивных схем, основанных на принципе концентрации материала в минимальном количестве основных несущих элементов каркаса;

∙избирательное, комбинированное применение сталей разных классов прочности с использованием высокопрочного материала только в тех элементах и деталях, которые обеспечивают экономический эффект для конструкции или сооружения в целом;

∙применение высокопрочной стали в крупнопролетных протяженных конструкциях и особенно в тех случаях, когда значительная часть несущей способности расходуется на поддержание собственного веса;

∙весьма эффективен прием совмещения различных функций в одной конструктивной форме, например несущих и ограждающих; такая идея была успешно реализована на практике в подкраново-подстропильных фермах, тонкостенных мембранных покрытиях и т.п.;

∙применение предварительно напряженных конструкций, благодаря которым проектировщик получает уникальную возможность регулировать распределение усилий в выгодном для работы отдельных элементов или системы в целом направлении. Это позволяет создавать вантовые и висячие системы с использованием высокопрочных тросов, пучков проволоки или растянутых мембран, способных в результате предварительного напряжения воспринимать не только растягивающие, но и сжимающие усилия.

Âнастоящее время основательно исследованы различные способы предварительного напряжения, проверена их эффективность, разработана теория расчета, апробирована конструкция узлов и деталей, что создает предпосылки для широкого их использования в строительстве.

Специфичность физических свойств алюминиевых сплавов и, в первую оче- редь, легкость, хладостойкость, защищенность от коррозионных повреждений в ряде сред делают их применение эффективным для замены ими сталей в ограждающих и некоторых видах несущих конструкций. Так, например, отечественные и зарубежные исследования подтвердили, что для подвижных конструкций кранов, пролетных строений сборно-разборных и разводных мостов, резервуаров, а также стационарных конструкций, возводимых в труднодоступных районах и районах Крайнего Севера, конструкции из алюминиевых сплавов могут оказаться экономичнее стальных. Кроме того, применение конструкций из алюминиевых сплавов в районах с высокой сейсмичностью, благодаря малому весу конструкции позволяет уменьшить затраты, связанные с обеспечением сейсмостойкости возводимых сооружений.

Наличие современных специализированных заводов по изготовлению строительных конструкций из легких сплавов, введенных в действие за последние десятилетия, создает все условия для широкого использования алюминия в капитальном строительстве .

Реконструкция и техническое перевооружение промышленных объектов, связанные с более или менее значительным вмешательством в существующие эксплуатируемые здания и сооружения, представляют собой специфическую народнохозяйственную проблему. Последняя связана с особенностями этого вида работ при разработке проектной документации, выборе конструктивных форм и методов усиления, определении способов производства строительных работ и оборудования и существенно отличается от обычных проектных работ, выполняемых при создании нового сооружения.

8

Наиболее трудоемкой частью реконструктивных работ является детальное обследование действительного состояния каждой конструкции, элемента и узлов соединения с фиксацией всех дефектов, повреждений и отклонений в геометрии путем внешнего осмотра, инструментальных измерений и геодезической съемки. Обследование проводится на действующем предприятии в труднодоступных местах, на высоте, в условиях повышенной опасности для жизни и поэтому требует специально подготовленного персонала, допущенного к верхолазным работам.

Химический состав и механические свойства металла основных несущих конструкций устанавливаются на основании лабораторных анализов образцов. Тщательному исследованию подвергается достоверность принятых в проекте нагрузок, правильность расчетных схем, усилий и сечений элементов с учетом фактических несовершенств, дефектов и повреждений. В материалах обследования фиксируются данные, характеризующие историю эксплуатации объекта, ранее выполненные реконструкции, усиления и ремонты, сроки службы крановых рельсов, колес и отдельных конструктивных элементов, возникающие затруднения при эксплуатации (недостаточная жесткость, колебания, вибрации, остаточные деформации и т.п.).

Ответственной частью технического освидетельствования является общий анализ состояния реконструируемого объекта, его конструктивных частей, элементов

èузлов, имеющихся и вскрытых анализом запасов и резервов. На основании этого составляется заключение о пригодности объекта к дальнейшей эксплуатации, разрабатываются необходимые наименее металлоемкие проектные решения по усилению и замене вышедших из строя конструкций, выбираются оптимальные методы производства работ. Поскольку эффективность реконструкции того или иного объекта во многом определяется величиной затрат на переделку существующих зданий

èсооружений, не дающих непосредственного прироста мощности, искусство про- ектировщиков-металлистов состоит в изыскании путей продления жизни стальных конструкций с минимальным расходом материальных и трудовых ресурсов и в кратчайшие сроки. В этой связи особую важность приобретает тщательный анализ расчетных предпосылок, использование пластической и закритической стадии работы материала, учет возможностей пространственного перераспределения усилий

èäð.

Материалы по обобщению практики обследования стальных конструкций зданий и сооружений, положения разработанных нормативных и инструктивных документов и рекомендации по реконструкции, созданные ЦНИИПСК им. Мельникова совместно о другими проектными, научно-исследовательскими и учебными институтами и изложенные в этом справочнике, дают возможность выбора современного надежного решения металлических конструкций как для нового строительства, так и в случае реконструируемых сооружений, имеющих признаки физи- ческого или морального износа. Благодаря тесной связи научных исследований с актуальными потребностями проектирования и строительства, а также созданию теоретической и материальной базы научно-технического прогресса отечественное металлостроительство обогатилось многими зданиями и сооружениями, превосходящими уровень мировых достижений строительной техники по оригинальности решений, величине строительных параметров и экономичности, часть из которых нашла отражение в справочнике.

Как свидетельствует история, накопление достаточного задела новизны в теории и практике металлостроительства, и соответственно этому, потребность в оче- редном издании справочника проектировщика «Металлические конструкции» появляется с периодичностью 15-20 лет. За столь длительный период существования справочника в нормативные документы (СНиП, ГОСТ, ОСТ, СН, ВСН и др.) вносятся разной степени значимости усовершенствования и изменения, что приводит

9

к устареванию ссылок на них в справочнике, но не освобождает владельца справочника от необходимости отслеживать официально опубликованные изменения норм и стандартов и руководствоваться ими.

В настоящей редакции справочника полностью исключена перепечатка положений СНиП, ГОСТов, а также предельно сокращено количество ссылок на нормативные документы. Однако, следует иметь в виду, что болезненный для страны переход к рыночной экономике, потребовал новых подходов к формированию системы нормативных документов в строительстве. Особенно существенные нововведения в ближайшие годы связаны с выходом СНиП 10.01-94 «Система нормативных документов в строительстве. Основные положения», введенных в действие с 1 января 1995 года.

Этим документом определены основные цели, организационные и методиче- ские принципы и общая структура системы нормативных документов в строительстве. Основными задачами нормативных документов системы должны быть: защита прав и охраняемых законом интересов потребителей строительной продукции, общества и государства в вопросах безопасности жизни и здоровья людей, защиты природы, обеспечения соответствия строительной продукции своему назначению. Предусматривается повышение самостоятельности и развитие инициативы предприятий, организаций, а также отдельных специалистов при сокращении числа обязательных требований и увеличении доли норм рекомендательного характера. Структура включает в себя строительные нормы и правила (СНиП), государственные стандарты (ГОСТ), а также своды правил по проектированию и строительству (СП). Кроме того, оговорена возможность разработки территориальных строительных норм (ТСН), разработка технические условий (ТУ) и стандартов предприятий (СТП).

При пересмотре норм по расчету строительных конструкций и испытанию материалов предусмотрены сближение и гармонизация отечественных нормативных документов с международными стандартами (и в первую очередь с Еврокодом) и строительным Законодательством развитых стран мира.

Повышение ответственности и самостоятельности всех участников проектирования и строительства, предписываемые новой системой документов, обязывают каждого пользователя справочником проектировщика «Металлические конструкции» своевременно знакомиться, анализировать и учитывать в своей повседневной деятельности особенности каждого из вводимых в действие новых нормативных документов.

10