Подбор сечений элементов фермы

     По  металлу шва:

                                      (5.6)

     По  основному металлу по границе  его сплавления с металлом шва:

                                      (5.7)

     где   - катет шва,   и   - коэффициенты глубины шва, принимаемые в зависимости от вида сварки и положения шва для сталей с пределом текучести  ;   - расчетная длина шва, принимаемая меньше его фактической длины на 10 мм за счет непровара и кратера на концах шва;   и   - коэффициенты условий работы сварного соединения, равные 1 для соединений, работающих при отрицательной температуре более -40С;   - расчетное сопротивление срезу (условному) металла шва;   - расчетное сопротивление срезу (условному) металла границы сплавления шва, принимаемое равным  . 

Расчет  соединений на «черных» болтах. Конструктивные требования

Болтовые соединения (рис. 31) являются самыми распространенными  в монтажных сопряжениях и  узлах. Сборка конструкций на болтах является наиболее простой и удобной, значительно ускоряет возведение сооружения, ибо постановка болтов - простейшая операция, :не требующая ни квалифицированной рабочей силы, ни сложного оборудования.

Рис. 31. Болтовое соединение

В клепаных конструкциях болты применяют вместо заклепок при большой толщине пакетов (более 7 и заклепки), а также в недоступных  и стесненных местах, где при клепке невозможно разместиться с клепальным молотком. 
Помимо постоянных болтов, в монтажных соединениях широкое применение находят временные сборочные болты, например при заводской сборке конструкций, сборке под клепку, сварку и в других видах соединений. При отправке с завода готовых конструкций к ним прикрепляют временными болтами мелкие стыковые детали и накладки, чтобы они не потерялись в пути. 
Болт состоит из стержня с метрической или дюймовой нарезкой на одном конце и головкой на другом. Головка болта делается шестигранной или квадратной формы. На резьбу навертывается гайка. Для распределения усилия от затяжки болта на большую площадь скрепляемой детали под гайку подкладывают одну шайбу. При постановке болтов на полках швеллеров и двутавров применяют специальные косые шайбы, которые изготовляют из отходов соответствующих профилей (вырезают из их полок). Гайки бывают шестигранной или квадратной формы. При монтаже применяют в основном болты с шестигранными головками. 
Материалом для изготовления болтов служат калиброванные стальные прутья из стали Ст.2 и Ст.З. 
В стальных конструкциях применяют три вида болтовых соединений: 
1) соединения  на  чистых   (точеных)   болтах; 
2) соединения  на  черных  болтах; 
3) соединения  на  высокопрочных  болтах. 
Надежность работы болтовых соединений зависит от хорошего начального натяжения в болтах, которое достигается применением специальных гаечных ключей и обычных ключей с удлиненными рукоятками. 
В конструкциях промышленных зданий и сооружений под действием эксплуатационных нагрузок, ударов и сотрясений болтовое соединение с течением времени расстраивается вследствие ослабления гаек. 
Чтобы уменьшить возможность ослабления болтов, принимают специальные меры для укрепления гаек. Например, ставят вторые гайки (контргайки), прихватывают гайку к стержню болта электросваркой, делают засечку резьбы и т. д. Укрепление гаек выполняется после окончательной выверки конструкций и после того, как болты получат полную эксплуатационную нагрузку, а ослабевшие гайки будут подтянуты вторично.

Диаметр черных болтов принимается на 2 мм меньше диаметра отверстия, что значительно упрощает их постановку. 
В монтажных соединениях черные болты применяют главным образом при работе на растяжение или в неответственных узлах. 
Для восприятия сдвигающих усилий в сопряжениях на черных болтах применяют специальные опорные столики. Нагрузка на эти столики, а следовательно и на несущие элементы, передается через строганый торец опорной планки (рис. 32). 
В неответственных конструкциях (крепление прогонов, эле-ментов фахверка, связей, лестниц, площадок и др.) допускается применение черных болтов, работающих на срез, при этом зазор между стержнем болта и отверстием не должен превышать 2 мм. 
Необходимая длина болтов определяется условиями их работы. 
Для болтов, работающих на смятие, нарезная часть болта должна быть вне тела соединяемых элементов, а минимальная длина болта равна толщине пакета плюс длина нарезки. 
Минимальная длина болтов, работающих на растяжение, равна толщине пакета плюс высота шайбы и гайки, плюс 5 мм. 
Размещение болтов производится аналогично размещению заклепок, при этом минимальное расстояние между болтами должно быть не менее 3,5 d болта для удобства работы ключом при завертывании гайки.

Соединения  на высокопрочных  болтах. В последнее время в строительстве внедряется новый вид монтажного соединения стальных конструкций-соединение на высокопрочных болтах. В соединениях на высокопрочных болтах усилия передаются не за счет сопротивления болта срезу или смятию, как в соединениях на обычных болтах или на заклепках, а за счет сил трения, возникающих между соприкасающимися (контактными) поверхностями соединяемых элементов. Сила трения создается в результате натяжения болтов в стыке на усилие примерно 20 т (от 18 до 24 г, в зависимости от диаметра болта). Болты изготовляются получистыми, с шестигранной головкой, резьба болтов и гаек метрическая. Высокопрочные болты пригодны как для односрезных, так и для многосрезных соединений в элементах, работающих на сжатие, растяжение или изгиб. 
Материалом для изготовления болтов является высокопрочная легированная сталь, обеспечивающая средний предел прочности более 14000 кг/см2. Для распределения давления от начального натяжения болта на большую площадь под гайку и головку болта подкладывают по одной шайбе. Шайбы наружным диаметром 55 мм и толщиной не менее 6 мм изготовляют из обычной стали, но с обязательной термообработкой, обеспечивающей цементирование на глубину не менее 0,4 мм. Диаметр отверстий для высокопрочных болтов может превышать диаметр болта на 1-3 мм, так как болты на срез или на смятие не работают ни в начальной стадии, ни в период эксплуатации сооружения. Это обстоятельство существенно облегчает образование отверстий при изготовлении конструкций и постановку болтов в процессе сборки. 
Постановка высокопрочных болтов - операция очень простая и, по существу, ничем не отличается от постановки обычных болтов. 
Порядок постановки болтов регламентирован, т. е. болты ставятся не подряд, а равномерно по всему стыку; после постановки очередного болта смежные с ним нужно подтянуть, ибо поставленный болт в какой-то мере ослабляет соседние, поставленные ранее. Контроль натяжения болтов осуществляется специальными тарированными ключами. Вначале гайку завинчивают до отказа простым гаечным ключом, а затем создают необходимое натяжение в болтах, для чего пользуются специальными пневматическими или ручными ключами. Окончательное натяжение болтов после их постановки проверяется контрольным ключом. Саморазвинчивания гаек не происходит, поэтому никаких мер предохранения гаек от произвольного саморазвинчивания принимать не требуется как при действии статических, так и динамических нагрузок. 
Применение высокопрочных болтов вместо заклепок в монтажных соединениях конструкций мостов, промышленных и гражданских зданий имеет следующие преимущества: 
1) изготовление конструкций упрощается, так как не требуется той высокой точности совпадения отверстий, которая необходима   при  применении  заклепок; 
2) монтаж конструкций упрощается и ускоряется, потому что 
полностью исключается рассверловка отверстий и процесс горячей клепки. Отпадает надобность в устройстве сложных подмостей,   необходимых  для   клепки; 
3) сохраняется  разъемность  соединений. 
Стоимость высокопрочных болтов пока еще больше, чем стоимость заклепок. Однако, учитывая перечисленные обстоятельства, а также то, что один высокопрочный болт по несущей способности заменяет полторы-две заклепки, применение этих болтов в общем экономичнее заклепок. 

Работа  стали

     1. Работа стали при  статической нагрузке. Как было сказано, сталь в основном состоит из феррита с включением перлита. Зерна перлита значительно прочнее ферритовой основы. Эти две разные по прочностным, упругим и пластическим показателям составляющие и определяют работу углеродистой стали под нагрузкой.

     2. Работа стали при  концентрации напряжений. В местах искажения сечения (у отверстий, выточек, надрезов, утолщений и т. п.) происходит искривление линий силового потока и их сгущение около препятствий, что приводит к повышению напряжений в этих местах.

     Отношение максимального напряжения в местах концентрации к номинальному, равномерно распределенному по ослабленному сечению, называется коэффициентом концентрации. Коэффициент концентрации у круглых отверстий и полукруглых выточек имеет значение 2-3. В местах острых надрезов оно выше и тем больше, чем меньше радиус кривизны надреза и чем гуще собирается в этих местах силовой поток; коэффициент концентрации в этом случае достигает значения 6-9.

     Напряженное состояние изделия при наличии  концентрации напряжений очень сложное, однако в основном по характеру работы металла можно установить две зоны: зону резкого перепада напряжений и зону с распределением напряжений, близким к равномерному.

     Развитие  пластических деформаций и разрушение при равномерном распределении  напряжений происходят под воздействием касательных напряжений, наибольшее значение которых возникает на плоскостях наклонных под углом 45° к действующей силе. При резком перепаде напряжений общие сдвиговые деформации происходить не могут (из-за задержки соседними, менее напряженными участками), поэтому в этих областях металл разрушается путем отрыва по плоскостям, нормальным к действующей силе. Характерно, что соответствующий рентгенографический анализ указывает на наличие при отрыве на этих плоскостях участков с явно выраженным пластическим течением металла. Поэтому такой отрыв можно назвать техническим а отвечающая ему прочность много ниже, чем прочность монокристалла на отрыв, но выше, чем прочность при сдвиге. При сдвиге в упругопластической стадии развиваются большие деформации; при техническом отрыве пластические деформации малы; металл в этом месте ведет себя как более жесткий, а сопротивление внешним воздействиям повышается. Такое поведение металла приводит к началу разрушения (возникновению трещин) у мест концентрации напряжений.

     При статических нагрузках и нормальной температуре концентрация напряжений существенного влияния на несущую способность не оказывает (не учитывая некоторого повышения разрушающей нагрузки). Поэтому при расчетах элементов металлических конструкций при такого вида воздействиях их влияние на прочность не учитывается.

     При понижении температуры прочность  на разрыв гладких образцов повышается во всем диапазоне отрицательных  температур; прочность же образцов с надрезом повышается до некоторой  отрицательной температуры, а затем  понижается.

     При длительном воздействии нагрузки сопротивление разрушению понижается.

     3. Ударная вязкость. Склонность металла к хрупкому разрушению и чувствительность к концентрации напряжений проверяются испытанием на ударную вязкость - определением величины работы, затрачиваемой на разрушение надрезанного образца, на маятниковом копре. Ударная вязкость измеряется удельной работой, затрачиваемой на разрушение образца. В надрезанном образце напряжения распределены неравномерно, с пикой у корня надреза. Ударное действие на образец увеличивает возможность перехода металла образца в хрупкое состояние. Чтобы иметь сравнимые результаты, испытание производится на стандартных образцах с размерами: 2.20 2.21 2.22 . При испытании тонкого металла применяют образцы толщиной 5 мм, но при этом норма ударной вязкости обычно повышается по сравнению с ударной вязкостью стандартных образцов сечением 10Х10 мм.

     Температура, при которой происходит спад ударной  вязкости, или ударная вязкость снижается  ниже 0,3 МДж/м², принимается за порог хладоломкости.

     4. Работа стали и  алюминиевых сплавов  при повторных  нагрузках. При работе материала в упругой стадии повторное загружение не отражается на работе материала, поскольку упругие деформации обратимы.

     При работе материала в упругопластической стадии повторная загружения ведет к увеличению пластических деформаций в результате необратимых искажений структуры металла предыдущим нагружением и увеличением числа дислокаций. При достаточно большом перерыве (отдыхе) упругие свойства материала восстанавливаются и достигают пределов предыдущего цикла. Это повышение упругих свойств называется наклепом. Наклеп связан со старением и искажением атомной решетки кристаллов и закреплением ее в новом деформационном положении. При повторных нагружениях в пределах наклепа материал работает как упругий, но полное удлинение уменьшается в результате необратимых остаточных деформаций, полученных при первых нагружениях, т. е. металл становится как бы более жестким.

     Повышение прочности благодаря наклепу  используется в алюминиевых сплавах и арматуре железобетонных конструкций; в стальных конструкциях оно не используется, поскольку наклепанная сталь получается более жесткой и склонной к хрупкому разрушению.

     При многократном непрерывном нагружении возникает явление усталости  металла, выражающееся в понижении его прочности, приближающейся к некоторой величине ауст, ниже которой разрушения стали не происходит. Эта величина называется пределом усталостной прочности (выносливости). Пределу выносливости стали отвечает примерно 10 млн. циклов нагрузки.

     5. Хрупкое разрушение. Несущая способность элементов металлических конструкций, изготавливаемых из малоуглеродистых сталей, зависит от условий нагружения и температуры эксплуатации. На рисунке приведены 3 области возможных видов разрушения - вязкое, квазихрупкое и хрупкое. Вязкое разрушение, как было сказано, определяется развитием пластических деформаций по части или всему сечению, а несущая способность элементов металлических конструкций - развитием больших перемещений (прогибов). Квазихрупкое (кажущееся хрупкое) разрушение находится как бы в промежутке между вязким и хрупким. Хрупкое разрушение определяется разрушением при малых деформациях, без ярко выраженного развития пластичности. На хрупкость стали оказывают существенное влияние в основном качество стали, старение, концентрация напряжений, температура эксплуатации, характер силового воздействия.

Область возможных видов разрушений:

Аn - площадь  сечения с изломом вязкого  вида (в основном вязкого вида)

Axp - часть сечения  с изломом хрупкого вида (в основном отрывом) 
 
 

Стропильные фермы, их очертания  и системы решетки, основные размеры, типы сечений элементов.

     Фермы по сравнению со сплошными балками  экономичны по затрате металла, им легко  придают любые очертания, требуемые  условиями технологии, работы под нагрузкой или архитектуры, они относительно просты в изготовлении.

     Фермы применяют при самых разнообразных  нагрузках; в зависимости от назначения им придают самую разнообразную  конструктивную форму - от легких прутковых  конструкций до тяжелых ферм, стержни которых могут компоноваться из нескольких элементов крупных профилей или листов. Наибольшее распространение имеют разрезные балочные фермы как самые простые в изготовлении и монтаже. Неразрезные и консольные системы ферм рациональны при большой собственной массе конструкции, так как в этом случае они могут дать значительную экономию металла. Кроме того, нёразрезные фермы можно применять исходя из требований эксплуатации, так как они обладают большей жесткостью и могут иметь меньшую высоту.