Подбор сечений элементов фермы

Главные балки обычно опирают на колонны  и располагают вдоль больших  расстояний. Расстояние между балками настила определяется несущей способностью настила и обычно бывает 0,6-1,6 м при стальном и 2-3,5 м при железобетонном настиле.

Таким образом, выбор рационального типа балочной клетки и типа сопряжения балок в ней зависит от многих факторов, и целесообразность выбора для данных конкретных условий может  быть установлена только сравнением возможных вариантов конструктивного  решения.

Работа  и расчет стального  настила

Настилы балочных клеток бывают весьма разнообразными в зависимости от назначения и  конструктивного решения перекрытия. Очень часто поверх несущего настила  устраивают защитный настил, который  может быть из дерева, асфальта, кирпича и других материалов.

В качестве несущего настила чаще всего применяют  плоские стальные листы или настил из сборных железобетонных плит.

Полезная  нагрузка настила перекрытий задается равномерно распределенной интенсивностью до 40 кН/м², а предельный относительный прогиб принимают не более 1/150.

Стальной  настил. Простейшая конструкция несущего настила состоит из стального листа, уложенного на балки и приваренного к ним. Расстояние между балками, поддерживающими настил, определяется его несущей способностью или жесткостью. Наиболее выгодное решение по расходу материала получается при минимальной толщине настила, так как в двутавровых балках, работающих на изгиб, материал используется лучше, чем в настиле прямоугольного сечения. Однако увеличение числа балок при тонком настиле резко увеличивает трудоемкость перекрытия, что нежелательно.

Расчет  настила

      Для стального настила применяются  плоские листы толщиной 6...16 мм, которые располагаются на балках настила (рис. 2, а) и привариваются непрерывными сварными швами. Приварка настила к балкам делает невозможным сближение опор настила при его прогибе под нагрузкой. Поэтому расчетная схема настила (рис. 2, б) представляет собой закрепленную шарнирно-неподвижную на опорах полосу единичной ширины, испытывающую под действием поперечной силы изгиб по цилиндрической поверхности  ( , с. 130; , с. 462).

        Значение предельного пролета  настила из условия обеспечения  его жесткости (рис. 2) вычисляются  по формуле:

где E = 2,06×10⁵ МПа – модуль упругости стали;

n = 0,3 – коэффициент поперечной деформации стали (Пуассона);

  n₀ – заданное отношение пролета настила к его предельному прогибу, n₀ = [l / f], (для стального настила n₀ = 150).

      Шаг балок настила (а) устанавливаются по вычисленному размеру пролета настила (l_н). Для этого значение n = L/l_н округляется до целого числа и вычисляется уточненное значение шага балок настила. Допускается увеличение шага балок настила (а) по отношению к определенному пролету настила (l_н) на 100…120 мм, так как фактический расчетный пролет настила – расстояние между краями полок соседних балок настила – меньше шага балок настила на ширину полки балки настила (b_f).

      Усилие (распор) Н, на действие которого надо проверить сварные швы, прикрепляющие настил к поддерживающим его балкам, можно определить по приближенной формуле (7.3) [1]:

. 

Подбор  сечения второстепенных балок (балок настила)

      В качестве балок настила и вспомогательных  балок балочной клетки применяются прокатные стальные горячекатаные  двутавры по ГОСТу 8239 - 72^*, двутавры с параллельными гранями полок по ГОСТу 26020-83 и швеллеры по ГОСТу 8240-93.

   Балки настила, как правило, проектируются разрезными однопролетными. Полная нагрузка на балки складывается из временной полезной и постоянной нагрузки от собственного веса металлических конструкций. Нагрузка на балки настила передается через настил в виде равномерно распределенной нагрузки. При этом ширина грузовой площади сбора нагрузки на балки соответствует их шагу (рис. 1).

      Расчетный пролет балок настила для нормального  варианта равен шагу главных балок  , а расчетный пролет балок настила для усложненного варианта – шагу вспомогательных балок.

      Нагрузка на вспомогательные балки передается через балки настила в виде сосредоточенных сил (рис. 1, в). В целях упрощения расчетов допускаются замену системы сосредоточенных сил эквивалентной по действию равномерно распределенной нагрузкой. Ширина грузовой площади сбора нагрузки на вспомогательные балки соответствует их шагу.

      Нормативные и расчетные значения интенсивности  равномерно распределенной нагрузки на балки настила соответственно составляют:

q_n1 = (m₁×g + u_n)×а,   кН/м;

q₁ = (m₁×g×g_f + u_n×g_f)×а,  кН/м;

тоже, на вспомогательные балки: 

 

Здесь m₁ – масса 1 м² настила, кг/м², по таблице 1;

 m₂ – масса погонного метра балки настила (табл. 1, прилож.);

 g = 9,81 м/с² – ускорение свободного падения;

g_f = 1,05 – коэффициент надежности по нагрузке для веса металлоконструкций (табл. 1 [4]);             

g_f = 1,2 – то же, для временной нагрузки.

      Подбор  сечения балок настила и вспомогательных  балок следует вести как из условия прочности, так и из условия  жесткости. При этом подбор сечения  из условия прочности следует выполнять с учетом использования упругопластической работы материала. 
 
 

Виды  соединений МК, их краткая  характеристика

    Соединения металлоконструкций выполняются как в условиях специализированных заводов, так и на монтажной площадке. Соответственно, они называются заводскими или монтажными. Любое соединение должно быть надежным в работе, технологичным при изготовлении и экономичным, а монтажное, кроме того, удобным и безопасным (при работе на высоте).

    Основной вид соединений МК - сварные  (более 90 %). При монтаже часто используют болтовые соединения. Для ответственных конструкций, работающих в тяжелых условиях, могут применяться заклёпочные соединения. В конструкциях из тонколистовой стали (t = 0,5-1 мм) возможны паяные

соединения. В данном учебном пособии рассмотрим наиболее распространенные сварные и болтовые соединения. 

   1.6.1. Сварные соединения

   В строительстве, в основном, применяется  электродуговая сварка, которая бывает трёх видов: автоматическая, полуавтоматическая и ручная.  

Тавровые  и угловые соединения применяются  в составных балках и колоннах. При этом плоскость одного элемента соединяется с торцом другого (сопряжение пояса со стенкой). Соединения надёжны в работе, их можно

выполнять автоматической сваркой.

    Комбинированные соединения - стыковые  с накладками применяются вслучае,  если прочности стыкового соединения недостаточно. 

   1.6.2. Болтовые соединения

    Достоинства болтовых соединений - простота и надёжность в работе, незначительная концентрация напряжений. К недостаткам можно отнести повышенную металлоемкость и ослабление элементов отверстиями под болты.

Болтовые  соединения работают в основном на сдвиг, реже ~ на растяжение.

    Для болтовых соединений МК  применяются несколько типов  болтов:

    -    грубой и нормальной  точности;

    -    повышенной точности;

    -    высокопрочные.

Болты грубой и нормальной точности используются при монтаже, изготавливаются из стали обычной прочности и ставятся в отверстия диаметром на 3-4 мм больше диаметра болта. Термин "грубая" или "нормальная" точность связан с допусками на изготовление болта. Соединение простое, но

деформативное. Болты повышенной точности при изготовлении обтачиваются и ставятся в отверстия, диаметр которых всего на 0,3 мм больше диаметра болта. Соединение плотное, но сложное при монтаже.  

 Высокопрочные,  болты изготавливают из легированных сталей, ставят в отверстия диаметром на 3.. .4 мм больше диаметра болта и затягивают специальным "тарировочным" ключом, позволяющим контролировать силу натяжения. Сдвигающая сила в этом случае воспринимается за счет сил трения,

возникающих между соединяющими плоскостями. Соединение простое и надёжное, используется в несущих конструкциях для соединения элементов (например, поясов и стенки балки), а также в монтажных стыках.

    Болтовые соединения применяются  как для листового, так и  профильного металла. Соединение выполняется либо внахлестку, либо с накладками.

Нахлесточное  соединение возможно для листового  проката.

Расположение  болтов рядовое или шахматное. Количество болтов определяется расчетом. Расстояние между осями болтов назначаются с учетом

минимально необходимых.

Соединение  с накладками выполняется как  для листового, так и фасонного проката. Соединение может быть симметричным (с двумя накладками) и несимметричным (с одной накладкой). Предпочтительным и более

надежным  с конструктивной точки зрения является симметричное соединение, т.к. не происходит искривление силового потока. Однако соединение с двумя накладками является более металлоемким и, соответственно, менее

экономичными.

Расчет  внецентренно-сжатых и сжато-изогнутых  элементов. Изменение  сечения балки.

     Предельные  состояния внецентренно растянутых и жестких внецентренно сжатых элементов  определяются несущей способностью по прочности или развитием пластических деформаций, а гибких внецентренно сжатых - потерей устойчивости.

     Расчет  на прочность. Предельные состояния по прочности внецентренно растянутых (растянуто-изогнутых) и внецентренно сжатых (сжато-изогнутых) элементов конструкций при динамических воздействиях, а также элементов конструкций, выполненных из сталей высокой прочности с расчетным сопротивлением R>580 МПа, определяются достижением наибольшими фибровыми напряжениями расчетного сопротивления. Их расчет выполняется по упругой стадии работы материала по формуле:

                              (3.11)

     Для внецентренно сжатых и внецентренно растянутых элементов из пластичных сталей с пределом текучести до 580 МПа при действии статических нагрузок предельное состояние по прочности определяется с учетом развития пластических деформаций.

     Развитие  пластических деформаций при наличии  момента и продольной силы так же, как и в изгибаемых элементах, приводит к образованию шарнира пластичности, но при этом положение нейтральной оси в процессе развития пластических деформаций смещается (рис. 3.17). При увеличении момента и продольной силы на одной из сторон стержня фибровые напряжения достигают предела текучести и затем останавливаются в своем развитии.

     Напряжения  в прочих фибрах (угол наклонной  части эпюры напряжений) продолжают расти, пока, наконец, напряжения на другой стороне стержня не достигнут  предела текучести, после чего пластичность распространяется на все фибры сечения. Очевидно, что разность площадей эпюр напряжений, умноженная на  , равна предельной продольной силе                                                      (3.12)