Ім'я файлу: Budivelni_materialy.pdf
Розширення: pdf
Розмір: 4132кб.
Дата: 07.06.2023
скачати
Пов'язані файли:

98 2
1
r
— кривизна від дії постійних та довготривалих тимчасових навантажень (без врахування зусилля Р).
red
b
b
I
E
M
r
1 1
1
red
b
b
b
I
E
M
r
1 2
2 1
де М - момент від відповідного зовнішнього навантаження
(короткочасної, тривалої) щодо осі, нормальної до площини дії згинального моменту і проходить через центр ваги приведеного перерізу;
3 1
r
- кривизна обумовлена вигином елемента від короткочасної дії зусилля попереднього обтиснення Р.
red
b
b
p
I
E
Pe
r
1 0
3 1
4 1
r
- кривизна обумовлена вигином елемента внаслідок усадки та повзучості бетону від зусилля попереднього обтиснення
0
'
4 1
h
r
b
b
де
b
,
'
b
- відносні деформації бетону, викликані його усадкою і повзучістю від зусилля попереднього обтиснення і визначаються відповідно на рівні центра ваги розтягнутої поздовжньої арматури і крайнього стиснутого волокна бетону за формулами:
s
b
b
E
;
s
b
b
E
'
'
b
- приймається чисельно рівним сумі втрат попереднього напруження від швидко накочуваної повзучості, усадки бетону, тощо ;
'
b
- приймається для напруженої арматури на рівні крайнього стиснутого волокна бетону.
Для елементів без попереднього напруження значення кривизни і приймають рівними нулю.
Запитання для самоперевірки
1. Як впливають тріщини на жорсткість і довговічність залізобетонних елементів?
2. За якими зусиллями виконують розрахунок залізобетонних елементів на утворення тріщин?
3. На утворення яких тріщин виконують розрахунок залізобетонних елементів?
4. Яке граничне розкриття тріщин у залізобетонних елементах?

99 5. Які конструкції розраховують на закриття тріщин?
6. З якою метою вимагається розрахунок елементів за деформаціями?
7. Як визначаються деформації елементів?

100
11. МЕТАЛЕВІ КОНСТРУКЦІЇ ДЛЯ ПІДЗЕМНИХ СПОРУД.
ОСНОВИ РОЗРАХУНКУ
11.1. Загальні відомості про металоконструкції
Металоконструкції, або металеві конструкції – це узагальнена назва певних конструкцій з різних металевих сплавів. Металоконструкції використовуються в багатьох галузях діяльності людини, наприклад у будівництві будівель, будівництві верстатів, пристроїв, апаратів та механізмів. Можуть використовуватись і для інших сфер діяльності, зовсім не пов’язаних з будівництвом.
У машинобудуванні зазвичай під металоконструкціями мають на увазі деталі, виготовлені з профільованого металу, на відміну від литих деталей і поковок.
У будівельній сфері терміном «будівельні металоконструкції» описуються несучі сталеві будівельні елементи будівель з металу.
Використовувати металоконструкції розпочали ще з давніх-давен. Так спочатку, ще до 20 століття, у будівництві використовувались литі металеві будівельні конструкції, в основному чавунні. Застосовувались вони при будівництві балок, сходів, колон, тощо. На даному етапі металоконструкції можна класифікувати на конструкції зі сталі та з легких сплавів (в основному з алюмінію).
Металеві конструкції по області застосування можна розділити на конструкції споруд і будівель та машинобудівні конструкції.
Типове застосування металоконструкцій: мости, балки, опірні елементи, елементи перекриттів, каркаси для залізобетонних конструкцій, каркаси металевих колон, каркаси арматурні для паль, різні огорожі, паркани, а також як елементи швидкомонтованих будівель. Також застосовуються у машинобудуванні, а саме – баштові крани, мостові крани, в основі яких лежать металоконструкції, різні щогли, опори ліній електропередач.
Також можна поділити на легкі металоконструкції – це конструкції з металу, які використовуються у будівництві будинків з великими прольотами, а також легкі сталеві тонкостінні конструкції – будівельні конструкції з холодногнутих оцинкованих профілів.
Металоконструкції та їх переваги:
Невелика вага.
Ще поєднання легкості і міцності, яке притаманне металевим конструкціям, рідко зустрічається у будівельних матеріалах. Можна сказати, що в цьому і полягає унікальність металоконструкцій. Найбільш низьким показником співвідношення міцності і щільності мають алюмінієві сплави
Надійність.
З метою створення ізотропного матеріалу були чітко сформовані і застосовані на практиці способи, які наділяють метал максимальним рівнем опору. Так, наприклад, сталь в цьому відношенні підходить за всіма характеристиками.

101
Непроникність.
Такий матеріал, як метал, є абсолютно непроникним ні для газів, ні для води. Дана властивість обумовлена дуже високим рівнем щільності металів.
Щоб з’єднані конструкції з металу також володіли непроникністю, застосовують зварювання. Ця властивість широко використовують у виготовленні резервуарів, трубопроводів, тощо.
11.2. Марки і класи сталі для будівельних конструкцій
Механічні властивості сталей визначаються їхнім хімічним складом.
Чисте залізе непридатне до використання у якості конструкційного матеріалу
– дуже пластичне й швидко деформується при невеликих напруженнях.
Сталь – це сплав заліза з вуглецем (0,1…0,2 %) і незначними домішками, що надходять разом з рудою і паливом. Для поліпшення властивостей до складу сталі вводять легуючі компоненти. Матеріалом для металевих конструкцій служить, в основному, сталь. Залежно від міри відповідальності конструкцій будівель і споруд, а також від умов їх експлуатації застосовують сталі різних марок. При виборі марки сталі враховують кліматичний район будівництва і групу конструкцій будівель і споруд за ДБН В.2.6-198:2014. Характеристики деяких видів сталей приведені нижче. За способом виготовлення сталь буває мартенівською і кисневоконверторною (їх виготовляють киплячими, спокійними і напівспокійними). Киплячу сталь відразу розливають з ковша у виливниці. Вона містить значну кількість розчинених газів. Спокійна сталь – це сталь, витримана деякий час в ковшах разом з розкислювачами (кремній, алюміній), які, з’єднуючись з розчиненим киснем, зменшують його шкідливий вплив; вона має кращий склад і одно ріднішу структуру, але дорожче киплячою на 10..15%. Напівспокійна сталь займає проміжне положення між спокійною і киплячою. Для будівельних конструкцій застосовуються наступні марки сталей: – сталь маловуглецева звичайної якості марки Ст3. Металургійні заводи поставляють маловуглецеві стали з гарантією: механічних властивостей (група А), хімічного складу (група Б), механічних властивостей і хімічного складу (група В). Міра розкислювання позначається індексами «кп» – кипляча, «пс» – напівспокійна і «сп» – спокійна, наприклад ВСт3пс. Залежно від нормованих показників (хімічного складу, механічних властивостей і ударної в’язкості) сталь ділять на категорії, наприклад ВСт3сп5, а для кожної з категорій встановлені, крім того, групи міцності 1 і 2, наприклад ВСт3сп5-1 і ВСт3сп5-2; – сталь низьколегована марок 09Г2, 09Г2С, 10Г2С1, 1412, 15ХСНД та ін. низьколеговані сталі завжди поставляють по групі В, тому позначення починається відразу з цифр; перші дві цифри вказують на вміст вуглецю в сотих долях відсотка; буквами означають легуючі елементи (Г – марганець, З
– кремній, Х – хром, Н – нікель, Д – мідь, А – азот, Ф – ванадій); цифра після букви вказує зміст цього легуючого елементу у відсотках, якщо воно перевищує 1%. Наприклад, 15ХСНД – сталь, що містить 0,15% вуглецю і легуючі добавки хрому, кремнію, нікелю, міді, причому зміст кожної добавки

102 не перевищує 1%. Залежно від фізико-механічних властивостей сталі розподіляються за класами (С235, С245, С255, С275…С590). Головні фізико- механічні характеристики сталі: – щільність ρ = 78,5 кН/м
3
; – коефіцієнт лінійного розширення α = 0,12·10
-4
º С-1;
– модуль пружності
Е = 2,06·105 МПа; – модуль зсуву G = 0,79·105 МПа; – коефіцієнт поперечної деформації (Пуассона) ν = 0,3. Основними показниками опору сталі силовим впливам є характеристичні опори R
yn
та R
un
встановлені відповідно за границею текучості, чи умовної границі текучості, та границею міцності
(тимчасовим опором). Розрахункові опори на розтяг, стиск та згин визначають з урахуванням впливу експлуатаційних факторів. У ДБН В.2.6-
198:2014 наведені механічні характеристики і вказівки по застосуванню різних марок сталей для сталевих конструкцій будівель і споруд залежно від призначення конструкцій, напруженого стану конструкції, умов її експлуатації і розрахункової негативної температури.
11.3. Основи розрахунку металевих конструкцій.
Балки і балочні
клітини. Підбір перерізу прокатних балок
Балками називають елементи, довжина яких значно перевищує розміри перерізу, і які працюють на поперечний згин та мають суцільний переріз.
Балки використовують як несучі елементи в перекриттях і покриттях будівель і споруд, робочих майданчиків, естакад, галерей, мостів тощо. За статичною схемою балки поділяють на одно пролітні розрізні, консольні та нерозрізні багато пролітні.
Найчастіше проектують сталеві балки з двотавровим перерізом, як найбільш економічного щодо витрати металу і зручного у виготовленні і експлуатації. Балки невеликих прольотів та з відносно малим навантаженням можуть виготовляти і з швелерів (наприклад прогони).
Залежно від технології виготовлення балки можуть бути прокатними, з гнутих профілів, або зварними зі складеним перерізом. Балки складеного перерізу застосовуються при підвищених прольотах, коли за сортаментами відсутні прокатні профілі, які можуть задовольнити розрахунковим вимогам до міцності або жорсткості. Несучи балки в перекриттях складають систему, яка називається балочна клітина.
У практиці використовують балочні клітини спрощеного типу з балками одного напрямку (балки настилу); нормальні балочні клітини з балками в двох напрямках (головні балки і балки настилу); ускладнені балочні клітини, що складаються з головних балок, допоміжних балок і балок настилу. Головні балки спираються на стіни чи колони (стовпи) каркасу.
Допоміжні балки та балки настилу спираються на головні балки. Корисні навантаження настилом передається на балки настилу, які в свою чергу передають його на головні балки (або через допоміжні на головні балки), а ті на опори. Головні балки виконуються прольотом до 6…16 м, і як правило, мають складені перерізи. Балки настилу і другорядні балки виготовляють з прокатних або гнутих профілів (двотаври, швелери). Крок головних балок

103 3…6 м, а крок балок настилу залежить від його матеріалу – 0,6…1,6 м при металевому і 1,5…3,0 м при залізобетонному настилах.
Можливі два типи з’єднань балок у системі балочної клітини: – спирання зверху – другорядні балки встановлюють на верхній пояс головних балок. З’єднання зручне як під час виготовлення конструкцій, так і їх монтажу, але потребує великої конструктивної висоти перекриття; – приєднання збоку – другорядні балки приєднують до головних з боку через ребра жорсткості, або опорні столики. Застосовують при обмеженій висоті перекриття. Стальний настил складається з листів, які зварюються з балками.
Товщина листів 6…14 мм.
Розрахунок балок за першою групою граничних станів (міцності) ведуть за загальними формулами як для стальних згинальних елементів.
Перевірка нормальних напружень
Перевірка дотичних напружень (міцність стінки на зріз)
, де M
max
та Q
max
– відповідно максимальні значення по довжині балки для згинального моменту і поперечної сили від розрахункового навантаження; S, I та W
min
– відповідно статичний момент половини перерізу, момент інерції та менший момент опору всього перерізу відносно центральної осі, перпендикулярної до площини згину; t
w
– товщина стінки на рівні центра ваги перерізу. Для прокатних профілів ці характеристики наведені в таблицях сортаментів.
Рис. 11.1.
Епюри напружень в двотавровому перерізі балки
За одночасної дії нормальних і дотичних напружень оцінку міцності виконують також за зведеними напруженнями
. На рисунку 11.1 зображена епюра цих напружень і найбільшої величини вони досягають у місцях переходу стінки двотавра в полиці. Саме в цих місцях і перевіряють міцність:

104
Розрахунок балок за другою групою граничних станів складається з перевірки прогину, який не повинен перевищувати допустимої величини за нормами:
Значення прогину визначається за правилами будівельної механіки від експлуатаційних
(характеристичних) навантажень
(без врахування коефіцієнтів надійності за навантаженнями
). В практичних розрахунках для розрізних балок від любої схеми навантаження відносний прогин можна визначити за формулою
11.4. Розрахунок сталевих елементів при центральному розтягу і
стиску
Робота центрально-розтягненого елемента під навантаженням описується діаграмою розтягу металу.
Розрахунок на міцність елементів із сталі з характеристичним опором
Н/мм
2
при центральному розтягу слід виконувати за формулою: де N – розрахункове зусилля центрального розтягу; А
п
– площа перерізу елемента нетто за вирахуванням усіх послаблень перерізу, отворів, тощо.
Для розтягнутих сталевих елементів норми проектування встановлюють вимоги з забезпечення жорсткості профілів, щоб конструкції не могли деформуватися під час транспортування (монтажу), не провисали від власної маси тощо. Граничні значення коефіцієнту гнучкості при дії статичних навантажень для більшості розтягнутих елементів
Гнучкість (коефіцієнт гнучкості) елемента вираховується за формулою: де
– розрахункова довжина елемента;
– радіус інерції поперечного перерізу елемента.
У центрально-розтягнутих елементах складеного перерізу, які утворені кількома прокатними профілями (наприклад, двома швелерами, що з’єднані у двотавровий або прямокутний переріз; двома кутиками, що утворюють тавровий або хрестовий переріз), крок прокладок або інших з’єднувальних елементів не повинен перевищувати 80i , де i - найменший радіус інерції окремого профілю.

105
Розрахунок на міцність коротких елементів із сталі з характеристичним опором
Н/мм
2
при центральному стиску слід виконувати аналогічно до центрально-розтягнутих елементів за формулою де N – розрахункове зусилля центрального стиску; А
п
– площа перерізу елемента нетто за вирахуванням усіх послаблень перерізу, отворів, тощо.
У довгих стиснутих елементів несуча здатність вичерпується внаслідок втрати стійкості, тобто за рахунок викривлення вісі стержня при стиску
(поздовжній згин). По досягненні осьової сили свого критичного значення викривлення вісі стиснутого стержня набуває незворотного характеру. Таким чином, перевірка стійкості стиснутого елемента матиме вигляд
У нормативних документах критичні напруження рекомендовано обчислювати спрощено як добуток розрахункового опору і коефіцієнта стійкості :
Розрахунок на стійкість елементів суцільного перерізу при центральному стиску слід виконувати за формулою:
При обчисленні коефіцієнту стійкості використовують таблиці
(табл. Ж.1 в ДБН), в яких подано його значення залежно від умовної гнучкості елемента і типу кривої стійкості. Остання залежить від типу поперечного перерізу: a – для круглих і прямокутних труб; b – для двотаврів
і складених симетричних перерізів; с – для швелерів, кутиків, таврів (див. табл. 8.1 ДБН).
Умовна гнучкість елемента вираховується за формулою де
– розрахункова довжина елемента;
– радіус інерції поперечного перерізу елемента.
- модуль пружності сталі.
У дуже гнучких стиснутих елементах при наявності первісних викривлень осі і випадкових ексцентриситетів навантаження можлива передчасна втрата стійкості. Тому нормами встановлено граничні значення гнучкості
. Розрахункова довжина стиснутого елемента залежить від форми поздовжнього згину при втраті стійкості і обумовлено типом кріплення кінців стержня: де – коефіцієнт розрахункової довжини за пп. 13.3.3 і 13.3.4 ДБН
В.2.6-198:2014.

106
Рис. 11.2. Розрахункові схеми стиснутих елементів за умов закріплення
11.5. Розрахунок сталевих елементів на дію поздовжньої сили та
згинального моменту.
Рис. 11.3. Робота стержня при дії осьового стиску і згину: а – схема позацентрово-стиснутого стержня; б – схема стиснуто-зігнутого стержня; в – заміна позацентрово стиснутого стержня умовним центрально-стиснутим
Розрахунок на міцність позацентрово-стиснутих (стиснутозігнутих) і позацентрово-розтягнутих (розтягнуто-зігнутих) елементів, слід виконувати за формулою

107 де
,
,
– розрахункові значення поздовжньої сили і згинальних моментів при найбільш несприятливій комбінації навантажень;
– площа перерізу елемента нетто за вирахуванням усіх послаблень перерізу, отворів, тощо;
,
– мінімальні значення моментів опору поперечного перерізу елемента нетто відносно осей х-х і у-у.
Розрахунок на стійкість позацентрово-стиснутих елементів суцільного і постійного за довжиною перерізу в площині дії згинального моменту, що збігається з площиною симетрії, слід виконувати за формулою:
У формулі коефіцієнт стійкості при позацентровому стиску визначається за таблицями Ж.3 і Ж.4 ДБН, в яких подано його значення залежно від умовної гнучкості елемента
і приведеного відносного ексцентриситету
, який обчислюється за формулою де – коефіцієнт впливу форми перерізу, що визначається за таблицею
Ж.2 ДБН;
– відносний ексцентриситет;
– ексцентриситет, який обчислюється від розрахункових значень зусиль для однієї комбінації навантажень;
– момент опору перерізу, обчислений для найбільш стиснутого волокна.

108

1   2   3   4   5   6   7   8

скачати