Конструирование и расчет металлических каркасов многоэтажных зданий.

Каркасы производственных зданий в большинстве случаев проектируются так, что несущая способность (включая жесткость) поперек здания обеспечивается поперечными рамами, а вдоль -продольными элементами каркаса, кровельными и стеновыми панелями. Поперечные рамы каркаса состоят из колонн (стоек рамы) и ригелей (в виде ферм или сплошностенчатых сечений). Продольные элементы каркаса — это подкрановые конструкции, подстропильные фермы, связи между колоннами и фермами, кровельные прогоны (или ребра стальных кровельных панелей). Кроме перечисленных элементов в составе каркаса обязательно имеются конструкции торцевого фахверка (а иногда и продольного), площадок, лестниц и других элементов здания.В каркасах с одинаковыми шагами колонн по всем рядам наиболее простая конструктивная схема — это поперечные рамы, на которые опираются подкрановые конструкции, а также панели покрытия или прогоны. Расчет механизирован и производится в ЛиреСАПР и SCAD.

11. Конструктивные требования несущим конструкциям покрытиям, расположенных в сейсмических районах.

Стальные стропильные и подстропильные конструкции допускается применять в зданиях с расчетной сейсмичностью 8 баллов с пролетами 24 м и более и в зданиях с расчетной сейсмичностью 9 баллов с пролетами 18 м и более, а также в случаях, когда их применение допускается «Техническими правилами по экономному расходованию основных строительных материалов» для аналогичных объектов в несейсмических районах. В целях обеспечения пространственной жесткости каркаса, а также устойчивости покрытия в целом и его элементов в отдельности необходимо предусматривать систему связей между несущими стальными конструкциями покрытия (фермами) в плоскости их верхних и нижних поясов и в вертикальных плоскостях. Связевые поперечные фермы устанавливаются в двух крайних (у торцов и антисейсмических швов здания). Кроме того, по длине здания (отсека) по верхним поясам стропильных ферм рекомендуется устанавливать распорки между опорными стойками и в пролете ферм. Вертикальные связи устанавливаются между стропильными фермами на опорах (между опорными стойками) и в пролете. По длине здания (отсека) связи располагаются в шагах ферм, где устанавливаются поперечные связевые фермы по нижним поясам стропильных ферм; при этом связи между опорными стойками стропильных ферм могут располагаться и в промежуточных шагах ферм, если по расчету требуется установка большего количества связей.

12. Конструктивные требования к болтовым и сварным узлам.

Различают две конструктивные разновидности соединений – стыки и прикрепления элементов друг к другу. Стыки осуществляют с одно- и двухсторонними накладками, а прикрепления – в нахлестку. При конструировании следует стремиться к применению болтов одного диаметра в пределах элемента и к малому числу диаметров во всем сооружении. Допускается, элементы крепить в узле одним болтом. Следует стремиться к наилучшей передаче усилия с одного элемента на другой кратчайшим путем. Болты располагают по прямым линиям – рискам, параллельно усилию. Расстояние между смежными рисками называется дорожкой, а расстояние между двумя смежными по риске болтами – шагом. Расположение болтов принимают как шахматное, так и рядное. При проектировании сварных конструкций надлежит учитывать следующее:- сварные соединения и сварные узлы должны удовлетворять требованиям прочности при минимальной металлоемкости;- расположение сварных швов должно обеспечивать удобство выполнения сварки, обработки и всех предусмотренных конструкторской и технологической документацией видов контроля сварных соединений;- следует применять сварные соединения с минимальной концентрацией напряжений, избегая образования объемных напряженных зон; - в зонах действия высоких напряжений необходимо обеспечивать плавность передачи рабочих нагрузок по возможности без эксцентриситета сопрягаемых элементов;- при присоединении к несущему элементу конструкции дополнительных деталей форма последних должна обеспечивать плавность переходов сечений в местах сварных соединений;- для уменьшения сварочных деформаций следует располагать сварные швы по возможности симметрично относительно центра тяжести элемента;- в несущих элементах конструкций не допускается применение прерывистых швов, за исключением приварки тонколистовых элементов, не являющихся несущими, к несущим элементам;- в сварных конструкциях необходимо избегать возможного скопления воды и грязи, а элементы замкнутого сечения должны быть герметизированы, или конструкцией предусмотрены отверстия для стока воды и циркуляции воздуха;- на сопрягаемые поверхности и поверхности деталей замкнутого профиля, изготовляемых из углеродистых и низколегированных сталей, в сварных соединениях кузовов вагонов и локомотивов, выполняемых точечной контактной сваркой или дуговой сваркой точками и прерывистыми швами, следует предусматривать нанесение антикоррозионных покрытий.

13. Конструктивные требования к болтовым узлам. Показать напряжено-деформированное состояние болтовых соединений.

Различают две конструктивные разновидности соединений – стыки и прикрепления элементов друг к другу. Стыки осуществляют с одно- и двухсторонними накладками, а прикрепления – в нахлестку. При конструировании следует стремиться к применению болтов одного диаметра в пределах элемента и к малому числу диаметров во всем сооружении. Допускается, элементы крепить в узле одним болтом. Следует стремиться к наилучшей передаче усилия с одного элемента на другой кратчайшим путем. Болты располагают по прямым линиям – рискам, параллельно усилию. Расстояние между смежными рисками называется дорожкой, а расстояние между двумя смежными по риске болтами – шагом. Расположение болтов принимают как шахматное, так и рядное.

14. Конструктивные требования к опорным узлам сварных балок.

Кромки полок балок после машинной кислородной резки не должны иметь неровностей, превышающих 0,3 мм. Тавровые (поясные) и стыковые (стыки листов полок и стенок) швы должны выполняться механизированной сваркой (автоматической под флюсом и /или полуавтоматической в среде защитного газа) с плавным переходом швов к основному металлу.

Стыки листов полок и стенок балок должны выполняться встык без накладок с применением двухсторонней сварки. При этом стыки листов полок, относительно стыка стенки балки, должны находиться на расстоянии не менее 100 мм по обе стороны от стыка стенки, для подкрановых балок не менее чем на 500мм. Допускается односторонняя сварка при условии подварки корня шва. Все сварные швы должны быть непрерывными. Поверхность стыковых швов листов полок в местах сопряжения со стенкой должна быть зачищена заподлицо с основным металлом. При выполнении стыковых швов должен обеспечиваться полный провар. Швы сварных соединений и конструкции по окончании сварки металлоконструкций должны быть очищены от шлака, брызг и натеков металла. При визуальном контроле сварные швы должны удовлетворять следующим требованиям:а) иметь гладкую или равномерно чешуйчатую поверхность без резких переходов к основному металлу;б) швы должны быть плотными по всей длине и не иметь видимых прожогов, сужений, перерывов, наплывов, а также недопустимых по размерам подрезов, непроваров в корне стыкового шва, несплавлений по кромкам, шлаковых включений и пор;в) металл шва и околошовной зоны не должен иметь трещин любой ориентации и длины;г) кратеры швов в местах остановки сварки должны быть переварены, а в местах окончания - заварены.

15. Конструктивные требования к сварным узлам. Показать напряжено-деформированное состояние сварных соединений.

При проектировании сварных конструкций надлежит учитывать следующее:

- сварные соединения и сварные узлы должны удовлетворять требованиям прочности при минимальной металлоемкости;- расположение сварных швов должно обеспечивать удобство выполнения сварки, обработки;- следует применять сварные соединения с минимальной концентрацией напряжений, избегая образования объемных напряженных зон;- располагать сварные швы по возможности симметрично относительно центра тяжести элемента;- в несущих элементах конструкций не допускается применение прерывистых швов;

- в сварных конструкциях необходимо избегать возможного скопления воды и грязи;

2) Напряженное состояние (растяжения или сжатия) часто наблюдается при сварке изделий большой толщины, жестких по конструкции. Оно не приводит к разрушению металла и с течением времени уменьшается. При сварке мало пластичных или склонных к закалке металлов напряженное состояние в изделии проявляется в виде трещин, возникающих как в шве, так и в основном металле, прилегающем к сварному шву. а – деформации в результате поперечной усадки

б – деформации от поперечной и продольной усадки наплавленного металла.

Наиболее часто внутренние напряжения проявляются в сварной конструкции в виде различных короблений, которые деформируют конструкцию и делают ее непригодной для нормальной эксплуатации без правки. Величина внутренних напряжений и короблений в большой степени зависит от способа свайки. Чем медленнее выполняется процесс сварки, чем больше зона разогрева основного металла, тем сильнее будет коробление.

16. Конструктивные требования к узлам металлических ферма из уголков и квадратных труб.

а) Фермы с элементами из парных уголков проектируют с узловыми фасонками, которые размещают между поясными уголками. Очертание фасонок определяется схемой узла и длиной швов, или количеством болтов, крепящих стержни решетки. Форма фасонкам должна быть простой для удобства их изготовления и сокращения отходов металла. Торцы стержней решетки обрезают перпендикулярно их осей, однако в уголках шириной полок более 90 мм допускают косые резы. Для снижения концентрации сварочных напряжений, в торце уголков решетки не доводят до кромок поясов. Такие же расстояния нужно соблюдать и между соседними элементами решетки в узле. Элементы решетки приваривают к фасонкам двумя фланговыми. Прикреплять фасонки к поясным уголкам лучше с двух сторон — со стороны обушка и пера, так как в противном случае поясные уголки легко могут отогнуться в результате случайных причин (например, при транспортировке). Для обеспечения передачи равнодействующей усилий, воспринимаемых каждым из двух швов, к центру узла (вдоль оси стержня) угловые швы распределяют по обушку и перу обратно пропорционально их расстояниям до оси элемента. Прогоны крепят к поясам ферм через упоры из уголков. При их монтаже, перепад верха смежных прогонов должен превышать 20 мм, что достигается листовыми подкладками соответствующей толщины.

Б) Основные конструкционные элементы ферм из труб могут быть представлены верхним и нижним поясами, а также раскосами и стойками. Пояса в таких фермах образуют контуры, а наличие раскосов и стоек необходимо для обустройства решётки. Узловые соединения всех элементов конструкции базируются на непосредственном примыкании элементов друг к другу или основаны на использовании специальных узловых фасонок. Все элементы металлических ферм необходимо центрировать по осевому направлению от центра тяжести, что позволяет снизить узловые моменты и обеспечить работу стержней на основные осевые усилия. Трубчатые стальные фермы сваривают обычно встык без фасонок. Фермы из труб экономичны по расходу материала, менее трудоемки по изготовлению и имеют меньшую массу.

17. Конструктивные требования к узлам соединений колонн с балками.

Сущность: узел соединения балки с колонной включает опорное ребро балки, установленное на столике колонны с монтажным зазором относительно полки колонны и соединенное с ней стяжными болтами, и компенсирующий элемент. Последний выполнен в виде упорных болтов, которые установлены в резьбовых отверстиях, выполненных в опорном ребре, и пропущены через монтажный зазор с возможностью контактирования с полкой колонны.

Благодаря такому решению упрощается монтаж узла, повышается его надежность.

Эта задача решается за счет того, что в узле соединения балки с колонной, включающем опорное ребро балки, установленное на столике колонны с монтажным зазором относительно полки колонны и соединенное с ней стяжными болтами, и размещенный в монтажном зазоре компенсирующий элемент, последний выполнен в виде упорных болтов, установленных в резьбовых отверстиях, выполненных в опорном ребре, и пропущенных через монтажный зазор с возможностью контактирования с полкой колонны.

18. Конструктивные требования к элементам каркаса зданий проектируемых в сейсмических районах.

Каркасы зданий рекомендуется проектировать по конструктивным схемам, для протяженных в план зданий предпочтение следует отдавать каркасам, решаемым по комбинированной схеме: в поперечном направлении рамная схема, в продольном - связевая с вертикальными стальными связями или железобетонными диафрагмами жесткости.

· при выборе объемно-планировочных и конструктивных решений необходимо обеспечивать симметричное относительно их главных осей и равномерное в плане распределение масс и жесткостей. Несоблюдение этого условия может привести к интенсивному развитию крутящихся моментов в плане здания и приведение к концентрации усилий на отдельных несущих конструкциях.

· здание в плане рекомендуется простое очертание (круг, квадрат, прямоугольник). Не рекомендуется возводить пристройки и ассиметрично располагать лестничные клетки.

· здание большое по площади и со сложным очертанием расчленяют на отдельные блоки с антисейсмическими деформационными швами.

· основные несущие конструкции должны быть монолитными и однородные. Им придают равнопрочность, так как преждевременный выход из строя слабых узлов и элементов может привести к разрушению здания до исчерпания несущей способности основных конструкций.

· при проектирования сборных элементов по возможности укрупняют их, тем самым уменьшая количество стыков. Стыки располагают вне зоны максимальных усилий.

· поскольку величина сейсмических нагрузок зависит от веса здания, стремятся уменьшить вес здания и полезных нагрузок.

19. Конструктивные требования при изготовлении узлов металлических ферм из квадратных труб.

Чтобы конструкция в итоге отличалась прочностью, высоким качеством эксплуатационных свойств, важно производить ее изготовление с соблюдением четкой последовательности необходимых действий. Сопряжения элементов ферм рекомендуется выполнять бесфасоночными. Бесфасоночные узлы, состоящие из пояса и примыкающих к нему элементов решетки, проверяются следующими расчетами: а)на продавливание (вырывание) участка горизонтальной стенки трубы пояса, контактирующего с элементом решетки; б)на несущую способность участка вертикальной стенки трубы пояса в месте примыкания сжатого элемента решетки; в)на прочность элементов решетки в зоне примыкания к поясу; г)на прочность сварных швов, прикрепляющих элементы решетки к поясу. При расчете ферм из прямоугольных труб различают два типа узлов. К первому типу относятся узлы,, при отношении c/d 0,25 и при угле наклона раскосов а в интервале 40...50°. Ко второму типу относятся узлы, но при отношении c/d > 0,25, а также узлы (угол наклона равен 90°). Только после завершения сборки конструкции с помощью прихваток можно выполнять сварку (ручную или автоматическую), после которой необходимо зачистить все швы. В заключении конструкция полностью подлежит обработке специальным антикоррозийным составом и покраске. Несущая способность фермы напрямую зависит от ее высоты, и это важно помнить при создании проекта и выполнении чертежей узловых соединений. Трубы из металлопрофиля – наиболее легкий, экономичный и наименее затратный вариант создания конструкций, обладающих высокой прочностью, поэтому именно они стали оптимальным средством для создания стропильных систем больших и малых размеров.