Столбов А.В. Металлические конструкции
Подождите немного. Документ загружается.
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение
Высшего профессионального образования
Камская государственная инженерно-экономическая
академия
МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ
Учебное пособие для студентов очной и заочной форм
обучения специальностей 27010265 «Промышленное и
гражданское строительство» и 27011565 «Экспертиза и
управление недвижимостью»
Набережные Челны
2007
Учебное пособие по дисциплине «Металлические конструкции» для
студентов очной и заочной формы обучения специальностей
27010265, 27011565, бакалавриат по направлению
«Строительство»/Составитель: Столбов А.В. Набережные Челны:
ИНЭКА, 2007. 129с.
Учебное пособие может быть использовано студентами очной и
заочной формы обучения при самостоятельном изучении дисциплины
«Металлические конструкции» и выполнении курсовых проектов:
«Балочная клетка» и «Стальной каркас одноэтажного
производственного здания».
В учебном пособии приведены:
- рабочая программа;
- список учебной и нормативной литературы;
- рекомендации по выполнению курсовых проектов;
- контрольные вопросы;
- варианты индивидуальных заданий.
Рис. 36, табл. 30.
Рецензент доцент, к.т.н. Ш.Х. Нетфуллов.
Печатается по решению научно-методического совета Камской
государственной инженерно-экономической академии
© Камская государственная
инженерно-экономическая
академия, 2007г.
Введение
Строительство является одной из самых металлоемких отраслей
народного хозяйства. Значительная часть стали расходуется на
изготовление металлоконструкций, из которых возводятся
автодорожные и железнодорожные мосты, каркасы промышленных и
гражданских зданий, башни и мачты антенных устройств, опоры
линий электропередачи, резервуары, газгольдеры и др.
Изучение дисциплины ”Металлические конструкции” невозможно
без знания широкого круга специальных дисциплин, которые
изучались в предыдущих семестрах: строительные материалы,
сопротивление материалов, технология металлов, теория упругости,
строительная механика.
Главной функциональной задачей несущих конструкций является
передача силовых потоков от мест приложения нагрузок и
воздействий на фундамент. Переходя с одного элемента на другой,
нагрузки и воздействия постоянно меняются, принимая форму
нормальных и поперечных сил, изгибающих и крутящих моментов,
или преобразуются в другие, более сложные формы.
Задача конструктора состоит в том, чтобы при соблюдении
технологических и иных требований к объекту проектирования
создать конструктивную схему с подбором параметров элементов и
узловых соединений, обеспечивающую простой и надежный путь для
передачи силовых потоков. При этом каждый конструктивный
элемент и сооружение в целом должны удовлетворять комплексу
условий: прочность, устойчивость, жесткость, долговечность,
ремонтопригодность в сочетании с экономическими ограничениями.
Таким образом, грамотный расчет конструкций невозможен без
знаний теоретических основ построения расчетных положений.
Размеры поперечных сечений элементов металлоконструкций
определяются расчетом, учитывающим прочностные свойства
материала, условия работы и назначение конструкций.
Цель дисциплины – подготовка студентов к профессиональной
деятельности в области проектирования металлических конструкций.
Задачи изучения дисциплины:
- выработка понимания основ работы металлических конструкций
зданий и сооружений;
- овладение принципами рационального проектирования
металлических конструкций с учетом требований изготовления,
монтажа и надежности эксплуатации на основе технико-
экономического анализа;
3
- формирование навыков конструирования и расчета для решения
конкретных инженерных задач с использованием норм
проектирования, стандартов, справочников, средств автоматического
проектирования.
Дисциплина «Металлические конструкции» в соответствии с
учебным планом изучается на пятом (третьем) курсе студентами
заочной формы обучения и на четвертом курсе студентами очной
формы обучения. Здесь и в дальнейшем в скобках приведены данные
для ускоренного курса. Учебное время по заочной форме обучения,
распределяется следующим образом:
Специальность 27010265:
1. Лекции – 12 часов;
2. Практические занятия – 14 (8) часов;
3. Лабораторные занятия – 4 (2) часа;
4. Самостоятельная работа 180 (188) часа.
Специальность 27011565:
1. Лекции – 4 (4) часа;
2. Практические занятия – 4 (4) часа;
3. Лабораторные занятия – 2 (2) часа;
4. Самостоятельная работа 80 (80) часов.
Студенты специальности 27010265, обучающиеся по ускоренному
курсу, выполняют один курсовой проект: «Стальной каркас
одноэтажного производственного здания», в пятом семестре сдают
зачет, в шестом – экзамен. Студенты, обучающиеся 6 лет, сдают зачет
и экзамен в девятом и десятом семестрах, соответственно, и
выполняют два курсовых проекта.
Студенты специальности 27011565 сдают экзамен в 9 (5) семестре и
выполняют один курсовой проект «Стальной каркас одноэтажного
производственного здания».
Рабочая программа
Ниже приводятся наименования тем и содержание программы,
даются ссылки на рекомендуемую литературу с указанием страниц.
4
1. Введение. (1-с.4-24; 2-с.6-30; 5-с.5-28)
Краткий обзор развития металлических конструкций (МК). Общая
характеристика МК: области применения, достоинства и недостатки,
принципы проектирования. Цели и методы изучения дисциплины.
2. Свойства и работа строительных сталей.
(1-с.25-49; 85-89; 2-с.31-82; 5-с.29-58; 102-108)
Строительные стали и алюминиевые сплавы: химический состав,
микроструктура, свойства. Влияние различных факторов на свойства и
характер разрушения (времени, скорости нагружения, температуры и
агрессивности среды). Виды разрушения.
Работа металла под нагрузкой: однократное статическое
растяжение и сжатие, сложное напряженное состояние (приведенные
напряжения). Хрупкое разрушение; факторы, способствующие
хрупкому разрушению. Многократное непрерывное нагружение,
усталость металлов. Учет особенностей работы металла при
проектировании.
Понятие о сортаменте первичных элементов из стали и
алюминиевых сплавов.
3. Работа элементов металлических конструкций и основы
расчета их надежности. (1-с.50-84; 2-с.83-126; 5-с.59-101)
Основы метода расчета по предельным состояниям: цель расчета,
группы и виды предельных состояний, предельные неравенства,
система коэффициентов надежности: учет изменчивости нагрузок,
сопротивление металла и размеров сечений. Условий работы
конструкций, последствий предельных состояний, ответственности
зданий и сооружений.
Напряжение и деформирование состояние центрально,
внецентренно нагруженных, изгибаемых металлических стержней в
упругой и упругопластической стадиях. Устойчивость центрально,
внецентренно сжатых, сжатоизогнутых и изгибаемых элементов;
критические напряжения, расчетная длина, гибкость, устойчивость
тонких пластин.
4. Соединения металлических конструкций.
(1-с.90-125; 2-с.127-184; 5-с.109-166)
Общая характеристика соединений.
5
Сварные соединения, стыковые и с угловыми швами.
Конструирование, работа под нагрузкой, расчет стыковых и угловых
швов.
Болтовые соединения, болты повышенной, грубой и нормальной
точности, высокопрочные болты. Конструирование, работа под
нагрузкой, расчет болтовых соединений.
5. Балки, балочные конструкции.
(1-с.126-179; 2-с.185-246; 5-с.174-231)
Области применения, классификация балок.
Компоновка балочных перекрытий: основные схемы, их
достоинства и недостатки, оптимизация компоновки.
Проектирование настилов и прокатных балок: расчетные схемы,
определение нагрузок и усилий, подбор сечения, проверка прочности
и жесткости.
Проектирование составных балок: расчетные схемы, определение
нагрузок и усилий, назначение высоты балки и компоновка
рационального сечения, проверка прочности сечений, обеспечение
жесткости, общей и местной устойчивости. Конструирование и расчет
деталей, стыков и сопряжений балок.
Особенности бистальных, тонкостенных, перфорированных
балок, балок с гофрированной стенкой, предварительно напряженных
балок
6. Центрально сжатые колонны.
(1-с.179-205; 2-с. 304-354; 382-389; 5-с.232-260)
Области применения, классификация колонн.
Особенности работы сквозных колонн, приведенная гибкость.
Выбор типа сечения колонны.
Проектирование сплошных колонн: расчетная схема, расчетная
длина, определение нагрузок и усилий, компоновка рационального
сечения, проверка прочности. Общей и местной устойчивости.
Особенности проектирования сквозных колонн: определение
ветвей колонн и расстояние между ветвями из условия равно
устойчивости. Проверка устойчивости ветвей и колонны в целом,
расчет решетки.
Конструирование, особенности работы и расчета оголовка и базы
колонн.
7. Фермы. (1-с.206-230; 2-с.402-439; 5-с.261-301)
6
Области применения, классификация ферм, определение
генеральных размеров, унификация геометрических схем.
Определение нагрузок и усилий в стержнях.
Проектирование легких ферм покрытий: обеспечение общей
устойчивости ферм в системе покрытия, расчетные длины стержней,
выбор типа сечения, подбор и проверка сечений стержней, предельная
гибкость стержней. Конструирование, работа и расчет узлов заводских
и монтажных стыков ферм. Особенности конструирования и расчета
тяжелых ферм.
8. Основы проектирования каркаса здания.
(1-с.255-280; 3-с.9-22;66-80;121-126; 5-с.302-335)
Общая характеристика каркасов, конструктивные схемы.
Учет при проектировании требований эксплуатации, надежности и
долговечности, изготовления и монтажа конструкций.
Состав каркаса, продольные и поперечные конструкции, функции
и взаимодействие элементов. Оптимизация конструктивных решений.
Выбор сетки колонн.
Компоновка поперечной рамы. Выбор конструктивной схемы,
определение основных размеров. Компоновка покрытия. Состав и
схема покрытия. Схемы и функции связей покрытия при монтаже и
эксплуатации.
Компоновка продольных конструкций каркаса. Схемы и функции
связей по колоннам при монтаже и эксплуатации.
9. Особенности работы и расчета каркаса.
(1-с.282-308; 3-с.81-120; 5-с.336-366)
Действительная работа стального каркаса, обоснование расчетной
схемы поперечных рам и каркаса в целом. Определение нагрузок,
действующих на каркас.
Основы расчета каркаса. Особенности пространственной работы
каркаса и ее учет. Определение расчетных усилий в основных
сечениях.
10. Элементы покрытия. (1-с.309-336; 3-с.127-146; 5-с.367-390)
Особенности работы стропильной фермы как ригеля поперечной
рамы, определение расчетных усилий в элементах фермы.
Конструирование, особенности работы и расчета шарнирного и
жесткого сопряжений фермы с колонной. Особенности конструкций
7
опирания стропильной фермы на подстропильную, подстропильной
фермы на колонну.
Особенности конструирования и расчета подстропильной фермы,
каркаса фонаря. Конструкция, особенности работы и расчета
сплошных и сквозных прогонов
11. Колонны каркаса. (1-с.337-368; 3-с.147-162; 5-с.391-424)
Конструктивные схемы колонн, типы сечений, возможные формы
потери устойчивости и расчетные длины колонн.
Проектирование сплошных колонн: выбор расчетных комбинаций
усилий, подбор сечения, проверка прочности, общей и местной
устойчивости.
Проектирование сквозных колонн: выбор расчетных комбинаций
усилий, определение расчетных усилий в ветвях и решетке, подбор
сечений, проверка устойчивости ветвей, решетки и всей колонны в
плоскости действия момента как единого стержня.
Конструирование, особенности работы и расчета сопряжения
надкрановой и подкрановой частей колонны, базы сплошной и
сквозной колонн.
12. Подкрановые конструкции. (1-с.369-391; 3-с.163-195; 5-с.425-451)
Состав подкрановых конструкций, типы подкрановых балок и
тормозных конструкций, нагрузки. Особенности работы и расчета
разрезных и неразрезных балок сплошного и сквозного сечений.
Проектирование подкрановых балок: компоновка сечения,
определение расчетных усилий, проверка прочности и выносливости.
Конструирование, особенности работы и расчета опорных узлов
подкрановых балок и тормозных конструкций. Упоры, крановые
рельсы и их крепление.
13. Реконструкция производственных зданий.
(1-с.394-400; 3-с.426-464; 5-с.452-469)
Понятие о реконструкции предприятий, зданий. Состав работ.
Обследование конструкций, дефекты и повреждения МК, выявление
резервов несущей способности МК, проверочные расчеты. Оценка
технического состояния МК эксплуатируемых зданий.
Методы и способы усиления МК. Особенности конструирования,
работы и расчета элементов и соединений при усилении под
нагрузкой.
8
14. Листовые металлические конструкции.
(1-с.463-500; 4-с.5-72; 5-с.548-599)
Области применения, классификация. Общая характеристика
листовых МК. Нагрузки и воздействия, особенности напряженного
состояния и основы расчета тонких металлических оболочек и
пластинок на прочность и устойчивость.
Резервуары: классификация, основы компоновки, оптимизация.
Проектирование вертикальных цилиндрических, горизонтальных
цилиндрических и шаровых резервуаров.
Особенности конструирования и расчета газгольдеров, бункеров и
силосов.
15. Металлические конструкции большепролетных конструкций
покрытий.
(1-с.401-445; 3-с.251-425; 5-с.481-532)
Области применения, особенности, классификация
большепролетных покрытий. Общая характеристика плоскостных
систем покрытий, основы компоновки, особенности работы,
конструирования и расчета стержневых плит (перекрестных ферм,
структур), оболочек и куполов (ребристых, ребристо-кольцевых и
сетчатых).
Висячие системы покрытий: классификация, особенности работы
и расчета. Особенности компоновки и расчета однопоясных,
двухпоясных и седловидных систем покрытий, схемы опорных
конструкций. Металлические оболочки-мембраны.
16. Металлические конструкции многоэтажных зданий
и высотных сооружений.
(1-с.448-462; 3-с.217-250; 5-с.533-547; 600-631)
Область применения, классификация, особенности работы и
компоновки несущих систем многоэтажных зданий: рамных,
связевых, рамно-связевых. Особенности определения нагрузок и
воздействий. Определение расчетных усилий в элементах каркаса.
Конструирование и расчет элементов и узлов каркаса.
Область применения, классификация, особенности работы
высотных сооружений. Основы компоновки и расчета башен мачт,
опор линий электропередач.
9
Лабораторные занятия
1. Анализ макро и микро структуры малоуглеродистых и
низкоуглеродистых сталей.
2. Испытание металлических образцов на растяжение.
3. Определение остаточных сварочных деформаций элементов
таврового сечения.
4. Испытание сварных соединений.
5. Устойчивость центрально и внецентренно сжатых стержней
сплошного сечения.
6. Общая устойчивость изгибаемых элементов.
Практические занятия.
1. Конструирование и расчет сварных соединений стыковыми и
угловыми швами.
2. Конструирование и расчет болтовых соединений различного типа.
3. Подбор и проверка сечений прокатных и сварных балок в упругой
и упругопластической стадиях.
4. Проверка местной устойчивости элементов сечения составных
балок.
5. Конструирование и расчет деталей, стыков и сопряжений балок.
6. Подбор и проверка сечения центрально сжатой сплошной и
сквозной колонн.
7. Конструирование и расчет оголовка и база центрально сжатой
колонны.
8. Компоновка поперечной рамы производственного здания.
9. Выбор схемы, особенности конструирования и расчет связей
покрытия и связей по колоннам производственного здания.
10. Определение нагрузок, действующих на поперечную раму
каркаса.
11. Подбор и проверка сечений стержней стропильной фермы.
12. Конструирование и расчет узлов и стыков стропильной фермы.
13. Подбор и проверка сечения внецентренно сжатой сплошной и
сквозной колонн.
10