Укажите достоинства и недостатки соединений на сварке, виды сварных соединений, типы сварных швов. Приведите формулы расчета стыковых и угловых швов.

Охарактеризуйте область применения металлических конструкций в современном строительстве. Перечислите преимущества и недостатки металлоконструкций. Укажите способы повышения долговечности металлоконструкций, перспективы дальнейшего развития металлических конструкций в строительстве.

Область применения металлических конструкций –в зданиях и сооружениях различных типов с большими нагрузками (мостовые краны грузоподъемностью более 30 т), пролетами (более 30 м) изначительной высотой (высота колонн более 16 м).

Преимущества металлоконструкций:

1. Высокая надежность и долговечность вследствие их однородности и изотропности.

2. Высокая прочность, способность при малых сечениях воспринимать большие усилия.

3. Малая деформативность (модуль упругости стали Ест=2,06×105 МПа – самый высокий из строительных материалов)

4. Высокая транспортабельность

5. Сплошность материала и герметичность соединений.

6. Индустриальность изготовления.

7. Высокая скорость монтажа благодаря простоте сварных и болтовых соединений.

Недостатки металлоконструкций:

1. Подверженность коррозии и как следствие повышение эксплуатационных расходов. Ежегодно теряется около 10% общего количества выплавляемых черных металлов.

2. Низкая огнестойкость (при t>4000С для сталей и t>2000С для Al сплавов начинается ползучесть металлов – развитие пластических деформаций при постоянной нагрузке).

3. Высокая стоимость.

Способы повышения долговечности металлоконструкций:

Способы защиты от коррозии:

1) конструктивные мероприятия;

2) введение легирующих добавок;

3) нанесение металлических покрытий на поверхность (гальваническим способом, горячим способом, металлизацией);

4) плакирование;

5) нанесение лакокрасочных покрытий.

Меры повышения огнестойкости:

- экранирование;

- окраска специальными самовспенивающимися от высоких температур лакокрасочными покрытиями;

- облицовка кирпичом;

- оштукатуривание наружных поверхностей;

- устройство спринклерного оборудования.

Перспективы дальнейшего развития металлических конструкций:

· расширение применения высокопрочных сталей, алюминиевых сплавов, атмосферостойких сталей, более эффективных профилей;

· изготовление типовых конструкций на автоматизированных поточных линиях;

· использование новых типов соединений, ускоряющих монтаж;

· использование быстровозводимых складывающихся систем – куполов, тентовых конструкций, ферм-структур;

· применение предварительно напряженных конструкций;

· укрупнение монтажных элементов с привлечением для их монтажа вертолетов.

5. Охарактеризуйте механические свойства стали: прочность, упругость, пластичность. Изобразите диаграмму зависимости между напряжениями и относительными удлинениями центрально-растянутого элемента. Дайте определения понятиям: «предел пропорциональности», «предел упругости», «предел текучести», «предел прочности».

Прочность – способность стали сопротивляться внешним силовым воздействиям.

Упругость – свойство материала полностью восстанавливать свои первоначальные размеры после снятия внешней нагрузки.

Пластичность – способность материала получать остаточные деформации после снятия внешних нагрузок.

Диаграммы «напряжение σ (МПа)– деформация ε (%):

а – малоуглеродистой стали; б – низколегированной стали.

 

 

Относительное удлинение при разрыве характеризует пластичность металла и определяется по формуле

где l₀ и l_k – соответственно длина образца до и после разрыва.

 

Пределом пропорциональности s_p называют наибольшее напряжение, при котором остается справедливым закон Гука s = Е × e, где Е = tga - модуль упругости.

Предел упругости – наибольшее напряжение, при котором образец полностью восстанавливает первоначальные размеры после снятия нагрузки.

Для большинства сталей пределы пропорциональности и упругости практически совпадают.

 

Предел текучестиs_y – напряжение, при котором начинают развиваться пластические деформации, а на диаграмме появляется площадка текучести.

Предел прочности s_u– напряжение, равное отношению наибольшей силы к первоначальной площади поперечного сечения образца, при котором образец начинает разрушаться.

 

6. Укажите особенности расчета центрально-растянутых элементов металлических конструкций: определение центрально-растянутого элемента, схема работы, область применения, расчет на прочность. Понятие о гибкости центрально-растянутого элемента, причины ее ограничения. Понятие о предельно допустимой гибкости, ее значения для различных конструкций.

 

Центрально растянутыми элементами считаются такие, в которых точка приложения и направление растягивающей силы совпадают с линией, проходящей через центр тяжести поперечного сечения стержня (ось элемента).

 

Схема работы:

а — центрально растянутый элемент;

б — то же, ослабленный.

 

 

Область применения – затяжки арок, подвески, растянутые раскосы и пояса стропильных, подстропильных и связевых ферм

 

Расчет на прочность:

Для конструкций, работа которых возможна после достижения металлом предела текучести, расчет следует выполнять по формуле:

 

где А_n — площадь поперечного сечения нетто. В элементах, ослабленных отверстиями (для заклепок или болтов), в расчет следует вводить площадь поперечного сечения нетто, то есть за вычетом площади ослабления А_n=А-А_о (схема работы б).

 

Гибкость центрально-растянутого элемента:

где l_ef — эффективная длина элемента, зависящая от условий закрепления и других факторов; i —радиус инерции сечения.

Рассчитанная по формуле гибкость не должна превышать предельно допустимойгибкости . Это объясняется тем, что очень гибкие элементы под действием собственного веса могут провисать, а при динамических воздействиях испытывать колебания с большой амплитудой.

 

При статических нагрузках предельная гибкость в зависимости от типа элементов конструкций не должна превышать 300…400, а при динамических нагрузках – 150…350.

 

7. Укажите особенности расчета центрально-сжатых стальных элементов: определение центрально-сжатого элемента, схема работы, область применения, расчет на прочность и устойчивость. Дайте понятие о расчетной длине сжатых элементов, коэффициенте продольного изгиба, понятие о гибкости, предельной гибкости.

Центрально-сжатыми элементами считаются такие, в которых точка приложения и направление сжимающей силы совпадают с линией, проходящей через центр тяжести поперечного сечения стержня (ось элемента).

Схема работы:

а — центрально сжатый элемент;

б — то же, ослабленный.

Область применения – стойки, колонны, центрально сжатые элементы стропильных и подстропильных ферм, стержни пространственных конструкций.

Сжатые элементы стальных конструкций рассчитывают на устойчивость и прочность (в том случае, если сечение элемента ослаблено отверстиями).

Расчет на прочность выполняют по формуле

где N – расчетная продольная сила при сжатии, A_n – площадь поперечного сечения нетто (определяется как для центрально-растянутого элемента), R_y – расчетное сопротивление стали по пределу текучести (таб. 51), γ_с – коэффициент условий работ).

Устойчивостьцентрально сжатого элемента рассчитывают по формуле

где φ— коэффициент продольного изгиба, учитывающий уменьшение расчетного сопротивления для предотвращения выпучивания стержня при упругой работе металла;

λ - гибкость стержня; А - площадь поперечного сечения.

Гибкость находят из выражения λ = l_ef /i,

где l_ef - расчетная длина элемента, зависящая от условий закрепления и определяемая по формуле l_ef = µl, где l – геометрическая длина стержня, µ - коэффициент, зависящий от способов закрепления концов стержня:

Схемы изгиба стержней при различных способах закрепления

Схемы закрепления концов стержней
Коэффициент µ	µ = 1,0	µ = 0,7	µ = 0,5	µ = 2,0	µ -зависит от степени подвижности опоры

 

Гибкость центрально-сжатого элемента λ не должна превышать предельного значения [λ], определяемого по таб. 19 СНиП II-23-81* Стальные конструкции.

 

8. Укажите особенности расчета изгибаемых стальных элементов: область их применения, расчетные схемы конструкций, эпюры усилий, расчет на прочность, расчет по 2-й группе предельных состояний.

Область применения – балочные элементы конструкций в покрытиях и междуэтажных перекрытиях гражданских, сельскохозяйственных, производственных зданий и других сооружений.

Изгибаемые элементы рассчитываются по 1-му предельному состоянию на прочность и устойчивость и по 2-му предельному состоянию — по прогибам. Расчет по 1-му предельному состоянию ведется на действие расчетных нагрузок, по 2-му — на действие нормативных нагрузок. При расчетах изгибаемых элементов может учитываться как упругая, так упруго-пластическая стадия работы металла.

q

Q_max = ql/2

M_max = ql²/8

 

Определение нагрузки на Расчетная схема изгибаемого элемента

изгибаемый элемент

 

Расчет прочности по нормальным напряжениям выполняют по формуле £R_у ¡_с

Расчет прочности балки на сдвиг в уровне расположения нейтральной оси выполняют по условию

где W_x – момент сопротивления элемента с учетом ослаблений относительно оси х;

Q – значение поперечной силы в рассматриваемом сечении;

S – статический момент относительно нейтральной оси отсеченной части сечения, расположенной выше точки, в которой определяют напряжения;

I – момент инерции сечения относительно нейтральной оси;

t – ширина сечения в точке, где вычисляют напряжения.

 

Расчет по 2-й группе предельных состояний (на жесткость)выполняют по формуле

£,

где - предельно допустимое значение прогиба (таб. 40[1]), для второстепенных балок - , для главных балок -

 

 

Достоинства – меньшая масса, отсутствие ослаблений в стыках (нет отверстий для заклепок и болтов), более простые конструктивные формы, полная герметизация, экономия металла, меньшая трудоемкость, создание рациональных поперечных сечений элементов.

Недостатки – появление сварочных напряжений и деформаций, концентрация напряжений в основном металле в местах расположения сварных швов, вероятность хрупкого разрушения под действием низких температур и динамических нагрузок.

Виды сварных соединений: а) стыковые, б) внахлестку, в) комбинированные, г) соединения впритык.

а) б)

 

 

в) г) Соединение впритык: а) тавровое; б) угловое

 

 

Типы сварных швов:

а) стыковые и угловые;

б)швы, расположенные вдоль усилия, называются фланговыми, поперек — фронтальными;

в) заводские (на заводе-изготовителе) и монтажные (на стройплощадке);

г) рабочие (подлежат расчету на прочность) и связующие (назначают конструктивно).

Расчет стыкового сварного шва:

где l_ω - расчетная длина шва; l_ω = l – 2t (рис. 6) (при сварке с технологическими планками

l_ω = l); t - расчетная толщина шва, равная наименьшей толщине соединяемых элементов;

Rωy - расчетное сопротивление стыкового шва; γ_с - коэффициент условий работы - см. табл. 6 СНиП II- 23-81*.

Расчет углового сварного соединения:

а) по металлу шва

б) по границе сплавления

где β_f ,β_z – коэффициенты, зависят от вида сварки; γ_wf, γ_wz— коэффициенты условий работы шва; l_w — расчетная длина шва, принимаемая меньше его полной длины на 10 мм; R_wf — расчетное сопротивление углового шва; R_wz — расчетное сопротивление углового шва при расчете по границе сплавления.