Методика подсчета нагрузок, действующих на элементы зданий и сооружений.

Приступая к расчету элементов строительных конструкций необходимо, прежде всего, определить величину нагрузки, действующих на них. Подсчет начинают со сбора нагрузок на один м² покрытия или перекрытия.

Общие сведения о металлических конструкциях.

1. Область применения металлических конструкций.

2. Достоинства металлических конструкций.

3. Недостатки металлических конструкций.

4. Стадии проектирования зданий и сооружений.

5. Механические свойства сталей.

1. Каркасы промышленных зданий, мосты.

Материалы для металлических конструкций. Общие положения и расчеты

Механические свойства сталей характеризуют следующие основные показатели:

1. Предел текучести (Ϭ_т характеризует напряжение, до достижения которого можно считать металл работающим упруго). Ϭ_т – являет началом границы пластической стадии работы металла, его текучести, т.е. началом возрастания деформаций при неизменной нагрузке.

2. Временное сопротивление Ϭ_в характеризует прочность стали. Условное напряжение разрыва растянутого образца (отношение разрушающей нагрузки к первоначальной площади сечения).

3. Относительное удаление ε.характеризует пластические свойства стали.

4. Ударная вязкость ак характеризует склонность стали к хрупкому разрушению (эта склонность зависит от структуры стали, ее чистоты и однородности). Сравнительной оценкой склонности стали к хрупкому разрушению служит ее сопротивляемость удару. За меру прочности стали при ударной нагрузке принимают работу, необходимую для разрушения стандартного образца с надрезом, отнесенную к поперечному сечению в 1 см². Эта удельная работа называется ударной вязкостью ак, выраженной в Дж на 1 см²; ак = Дж/см².

5. Хрупкость характеризуется разрушением материала при малых деформациях в пределах его упругой работы. Разрушение это происходит путем отрыва без площадки текучести и пластической стадии. К условиям, способствующим появлению хрупкости относятся явления, вызывающие наклеп, старение, неравномерность в распределении напряжений, температурные изменения.

Влияние температуры:

- при нагреве стали до температуры: t^o = (200-250) ^oC – механические свойства малоуглеродистых сталей практически не меняются;

t^o = (300-330) ^oC – синеломкость: сталь становится более хрупкой

Отрицательная температура несколько повышает прочность стали, но способствует ее хрупкости.

t^o ~ -10^о – пластичность стали заметно уменьшается

t ^o ~ -45^о – для малоуглеродистой стали стали становятся хрупкими

t^o ~ -60^о – для низколегированной стали

Химический состав стали:

Работа стали в конструкциях существенно зависит от ее структуры, от условий ее кристаллизации. В процессе кристаллизации выделяется большое количество газов и неметаллических включений.

Бурное выделение газов (кипение) способствует образованию мелких газовых пузырей, около которых могут находится неметаллические включения и примеси, ухудшающие качество стали. Сталь, полученная таким образом, называется кипящей – КП.

СП – спокойная сталь – выгодно отличается от кипящей тем, что ее остывание происходит спокойно, без бурного выделения газов, что достигается введением раскислителей.

ПС – полуспокойная сталь – не полностью раскисленная сталь. Химический состав стали характеризуется процентным содержанием в ней различных компонентов и примесей.

Материалы для МК. Их состав и свойства.

Сталь.

I. Сталь – это сплав железа с углеродом (до 2%) и незначительным количеством примесей (которые не выводятся преднамеренно, а попадают из руды или образуются в процессе выплавки), а так же легирующих компонентов (которые вводят для улучшения свойств стали).

В зависимости от содержания легирующих компонентов, стали делятся на 4 группы:

1. Углеродистые – ЛК (легирующие компоненты) специально НЕ вводятся

2. Низколегированные - ЛК < 2.5%

3. Среднелегированные – ЛК (2,5 – 10%)

4. Высоколегированные – ЛК > 10%

В строительстве применяются углеродистые, низколегированные и в незначительных количествах среднелегированные стали.

Углеродистые стали в зависимости от содержания углерода подразделяются на:

• Низкоуглеродистые – У < 0.25% (строительная сталь)

• Среднеуглеродистые – У (0.25 – 0.6)% (сталь для военной промышленности)

• Высокоуглеродистые – У (0.6 – 2)% (инструментальная сталь)

• По способу выплавки стали подразделяются на мартеновские и конверторные.

• Для оценки свойств и качества сталей основными техническими характеристиками являются их механические свойства и химический состав.

Хим. состав:

Углерод (У) Кремний (С) Марганец (Г) Медь (Д) Алюминий (Ю) Азот (А)

Лег. Компоненты:

Никель (Н), Хром (Х), Ванадий (Ф), Вольфрам (В), Молибден (М), Титан (Т), Бор (Р) являются легирующими компонентами, улучшающими те или иные механические свойства стали.

Подразделение сталей:

Низкоуглеродистые и низколегированные стали подразделяются на стали с обозначениями:

• Низкоуглеродистые: С235; С245; С255; С275; С285

• Низколегированные: С345; С345К; С375; С390К; С440; С590; С590К

Эти стали применяются для конструкций из листового и фасонного проката (для фасонного от С235 до С275).

Низкоуглеродистые и низколегированные марки стали ВСт3Кп, ВСт3ПС, ВСт3СП, 09Г2С, 16Г2АФ – применяются только для конструкций из труб.

С – сталь, указывает на принадлежность стали к строительным конструкциям;

235, 245… - Соответствуют значению предела текучести Ryn(мПа) для наименьшей толщины проката.

К – эта литера указывает химическую модификацию состава стали.

Т – эта литера указывает на термическую обработку стали, например С245Т.

Д – эта литера указывает на повышенное содержание меди, например С345Д.

Уровень обеспеченности для нормативных механических характеристик (R_yn, R_un) – 0,95(95%)

За толщину фасонного проката следует принимать толщину полки.

Основной строительной сталью является сталь – Ст3

Поставка стали по ГОСТ 380-71 предусматривает группы А, Б, В.

• Группа А – гарантия механических свойства;

• Группа Б - гарантия химического состава;

• Группа В – гарантия механических свойств и химического состава;

Для сталей предусмотрено 15 категорий.

Для ориентировочной характеристики химического состава низколегированных сталей принята следующая система обозначений:

• Первые две цифры показывают среднее содержание углерода в сотых долях процента

• Буквами обозначаются условные наименования легирующих компонентов

• Цифры после букв указывают примерный процент содержания этих элементов (в целых числах), превышающих 1%

• Содержание компонентов менее 0.3% не отмечается.

Например:

09Г2С: 0.9% - углерода Г – марганец 2 – 2% марганца С – кремний от 0.3 до 1%

16Г2АФ: 0.16% - углерода Г2 – 2% марганца АФ – азот, ванадий от 0.3 до 1%

Выбор стали:

• В зависимости от условий эксплуатации, ответственности конструкций и климатических условий все стальные конструкции подразделяются на 4 группы

• К первой группе относятся конструкции, работающие в особо тяжелых условиях

• К каждой последующей группе относятся конструкции, работающие во все более легком режиме эксплуатации (см. СНиП II-23-81* стр. 61 таб. 50*)

II. Алюминиевые сплавы:

Достоинства АС:

1. Относительно высокая прочность при малой плотности самого материала (ро = 2700кг/м³);

2. Высокая технологичность при обработке прессованием, прокаткой или ковкой, позволяющая изготавливать изделия сложной формы;

3. Высокая стойкость против коррозии;

4. Высокие механические характеристики при отрицательных температурах;

5. Отсутствие искрообразования при ударных воздействиях;

Недостатки АС:

1. Относительно небольшой модуль упругости (для стали – Es =2.1*10⁵МПа; Eas 0.7*10⁵МПа)

2. Высокий коэффициент температурного расширения (для стали – α_S=1.2*10^-6; для алюминия α_AS=2.3*10^-6)

3. Относительная сложность выполнения соединений;

4. Дефицитность;

5. Высокая стоимость;

6. Относительная малая огнестойкость (при t^o >200^o C начинается ползучесть).

Алюминиевые сплавы поставляют в различных состояниях термической обработки и нагартовки:

М – отожженный (мягкий) П – полунагартованный Н – нагартованный Т – закаленный и естественно состаренный Т₁ –закаленный и искусственно состаренный

Термическая обработка повышает прочностные характеристики сплавов в 1.3 – 1.5 раза. При сварке конструкций из термически обработанных сплавов происходит некоторое разупрочнение материала в зоне термического влияния. Термически не упрочняются сплавы марок АМг и АМц. Чтобы повысить коррозионную стойкость, алюминиевые сплавы могут быть покрыты тонким слоем чистого алюминия.

Система сплава	наименование	Марка и состояние поставки
Термически неупрочняемые
Al	Технический алюминий	АД1М
Al-Mn	Алюминиево-марганцовый сплав	АМцМ
Al-Mg	Алюминиево-магниевые сплавы	АМг2М АМг2П
Термически упрочняемые
Al – Mg - Si	Сплавы повышенной пластичности и коррозионной стойкости	АД31Т АД31Т1
Al – Mn – Mg – Zn - Ti	Многокомпонентные сплавы	1 – 925 Г 19151Т

Сортамент:

В строительстве применяют сталь в виде прокатных изделий, получаемых с металлургических заводов и имеющих различную форму поперечного сечения.

Различают сталь: 1. Профильную - Сортовую (круглая, квадратная, полоса) - Фасонную (Уголок, двутавр, швеллер) 2. Листовую:

Каталог прокатных профилей с указанием их формы, размеров и геометрических характеристик, массы, называют сортаментом.

Расчет элементов стальных конструкций R_yn – нормативное сопротивление стали растяжению, сжатию и изгибу, принимаемое равным значению min предела текучести (Ϭ_т) по ГОСТ и техническим условиям на сталь

R_un – Нормативное сопротивление стали растяжению, сжатию и изгибу, принимаемое равным значению minвременного сопротивления (Ϭ_в) по ГОСТ и техническим условиям на сталь.

Значение расчетных сопротивлений получают делением нормативных сопротивлений [МПа] на коэффициент надежности по материалу.

Расчетное сопротивление стали растяжению, сжатию и изгибу по Ϭт min

Расчетное сопротивление стали растяжению, сжатию и изгибу по Ϭв min

Rs = 0.58*Ryn – нормативное сопротивление стали сдвигу

- расчетное сопротивление стали сдвигу

При расчете конструкций и соединений следует учитывать следующие коэффициенты:

_u = 1.3 – коэффициент надежности для элементов конструкций, рассчитываемых на прочность по Ϭ_в. Учитывает недостаточную изученность действительной работы конструкции.

_n - коэффициент надежности по назначению, вводиться для сооружений повышенной степени ответственности и капитальности _n >=1

_c = (0.7 – 1.1.) коэффициент условий работы, учитывает возможные отклонения от нормальных условий эксплуатации

_b (0.85-1) коэффициент условий работы болтовых соединений

Расчет стальных конструкций производится по 2м группам предельных состояний: