Ян Брудка, Мечислав Лубиньски

ЛЕГКИЕ

СТАЛЬНЫЕ

КОНСТРУКЦИИ

ИЗДАНИЕ ВТОРОЕ, ДОПОЛНЕННОЕ

(сокращенный перевод с польского Л. Д. Ланской)

Под редакцией

канд. техн. наук С. С. Кармилова

МОСКВА СТРОЙИЗДАТ 1974

1.2. ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ЛЕГКИХ СТАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Наиболее подходящую область применения конструкций из гнутых профилей определяют исходя из конструктивных условий (изготовления, защиты от коррозии и т. п.), прочностных свойств и статических условий (величины пролета, нагрузки и т. п.), экономических показателей, эксплуатационных условий и эстетического восприятия.

Выделяют две основные области применения гнутых профилей:

- для архитектурно-строительных деталей;

- для несущих элементов конструкций с малой либо со средней величиной пролета или для второстепенных элементов различных стальных конструкций.

К первой группе относятся дверные и оконные коробки, оконные переплеты, двери в промышленных и коммунальных зданиях, ворота промышленных зданий, горбыльки для остекления окон без замазки, элементы ограждающих стен, передвижные перегородки внутри промышленных и коммунальных помещений, лестницы, аэрационные фонари, крепления лифтовых шахт, эстакады, стеллажи и другие подобные элементы.

Ко второй группе относятся: конструкции, изготовляемые целиком из гнутых профилей; элементы конструкций, выполняемые как из обычных стальных конструкций, так и целиком из гнутых профилей; элементы с комплексной конструкцией (например, сталь с бетоном, деревом, синтетическими материалами).

Конструкции первой группы, как правило, изготовляются для следующих элементов:

- покрытий пролетами до 6 м и с малыми высотами в каркасных одно-и двухэтажных жилищных и сельскохозяйственных зданиях;

покрытий пролетом 9-18 м (реже до 24 м) и высотой до 8 м;

пространственных покрытий - складчатых, сетчатых, трехслойных (сэндвич), двухслойных - пролетами до 15-40 м;

оболочек.

Такие конструкции используют для жилых домов, складских, производственных цехов, школ, сельскохозяйственных и коммунальных построек, зданий технической базы стройки, оранжерей, навесов, ангаров, выставочных павильонов, всевозможных временных и переносных сооружений, лесов, силосных башен, резервуаров и т. п.

Ко второй группе элементов, изготовляемых из обычных стальных конструкций, прежде всего относятся:

- фермы перекрытия пролетами 9-18 м;

- покрытия пролетами до 6 ж в жилых и общественных зданиях или складах при полезных нагрузках 150-600 кгс/м²;

- кровельные панели и прогоны в однопролетных одноэтажных промышленных зданиях;

- окна и фонари;

- промышленные эстакады и полотно проезжей части мостов (обычно в виде ортотропных плит);

- связи и фахверковые стены промышленных зданий;

- шпунтовые ограждения;

- элементы передвижной опалубки для сооружения перекрытий и стен.

Особую группу образуют элементы смешанных конструкций, в которых гнутый профиль сочетается с прокатным стальным профилем или другим материалом. До сих пор чаще всего применялись смешанные элементы, в которых сочетались сталь и бетон. Развитие техники склейки сделало возможным использование также синтетических материалов и материалов на основе древесины. В то же время применение гнутых профилей из тонкого листового металла и прокатных профилей в одном элементе достаточно редкое явление (в линиях электропередачи, мачтах и опорах контактной сети, мостах, перекрытиях, элементах подъемников или монтажного оборудования и лесах).

Тонкостенные элементы могут выполнять двоякую роль (например, кровли и оболочки) или служить обшивкой перегородки и поясом балки.

Гнутые профили особенно удобны для разборных конструкций.

Из прокатных профилей чаще всего изготовляются следующие элементы конструкций: решетчатые прогоны пролетом 6-12 м; стропильные фермы или сплошные балки пролетом 9-30 м; решетчатые балки перекрытий, работающие с бетоном; перфорированные балки и опоры; шпренгельные фермы; складчатые, сетчатые и двухслойные системы, работающие с синтетическими материалами или материалами на основе древесины.

1.3. ДОСТОИНСТВА И НЕДОСТАТКИ ЛЕГКИХ СТАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Легкие конструкции имеют ряд достоинств и недостатков по сравнению с аналогичными стальными конструкциями (в дальнейшем называемыми обычными конструкциями), характерных для повсеместно применяемых решений.

Преимущества легких стальных конструкций: уменьшение расхода стали на 25—50%. Теоретически возможное снижение массы более чем на 50% (это не всегда удовлетворяет требованиям, предъявляемым к оптимальной конструкции, ввиду слишком высокой ее стоимости и трудоемкости изготовления);

- сокращение времени монтажа конструкции, например покрытий, до 30%. В системах с унифицированными стержнями и монтажными узлами, например в структурных покрытиях, оно доходит до 60%;

- общая экономия затрат на строительство составляет 10-25%;

- свободное формирование материала по сечению стержня;

- хорошие прочностные характеристики (показатели прочности и радиусы инерции) по отношению к площади сечения, в частности в случае применения замкнутых профилей;

- красивый внешний вид и незначительное затенение остекленных поверхностей в случае применения элементов из гнутых профилей замкнутого сечения или из прокатных профилей. Этого достоинства не имеют легкие стальные конструкции из гнутых профилей открытого сечения.

Недостатки легких стальных конструкций:

- стоимость гнутых профилей выше стоимости прокатных профилей;

- стоимость изготовления 1 т легких конструкций выше, чем стоимость 1 т обычных конструкций (эта стоимость значительно снижается при серийном производстве);

- более высокая стоимость защиты от коррозии, так как поверхность профиля обычно больше и вследствие этого необходимо применять покрытия, более устойчивые к воздействию агрессивной среды;

- транспортирование, погрузка-разгрузка и монтаж требуют более осторожного проведения этих операций, поскольку легкие элементы, особенно из тонкого листового металла, повреждаются;

- проектирование легких конструкций более трудоемко, так как работа их на. устойчивость сложна. Имеется возможность большой свободы выбора геометрической формы сечения профиля, но нет готовых расчетных таблиц. Стандартизация элементов значительно снижает расходы на проектирование.

Следует заметить, что достигнуть значительного уменьшения массы конструкций или сокращения времени их монтажа с одновременным снижением затрат не так-то просто. Об эффективности конструкции необходимо заботиться на всех стадиях ее создания.

1.4. ПРИНЦИПЫ ПРАВИЛЬНОГО ПРИМЕНЕНИЯ ЛЕГКИХ СТАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Легкость профилирования гнутых профилей создает теоретически неограниченные возможности использования прочностных, эксплуатационных и пластических характеристик материалов и элементов. Однако свободу применения материалов ограничивают экономические соображения. Гнутые профили в среднем на 30% дороже прокатных. Легкие конструкции, несмотря на значительное уменьшение расхода стали, не становятся пропорционально дешевле. Поскольку легкие конструкции не должны быть дороже обычных, нельзя принимать в качестве важнейшего или единственного критерия экономию материала. Необходима еще и стандартизация элементов или конструктивных узлов.

Для определения принципов правильного применения гнутых профилей надо учитывать:

1. Изготовление холодногнутых профилей партиями с большим тоннажем в соответствии с сортаментом, разработанным для данного типа конструкций.

Холодногнутые профили имеют сечение, хорошо приспособленное к работе стержня в конструкции, что позволяет получить все положительные эффекты тонкостенности, избежав одновременно ее отрицательного воздействия. Изготовление большой серии профилей значительно дешевле, чем их производство по индивидуальному заказу с малым тоннажем.

2. Снижение стоимости изготовления конструкций благодаря серийному производству, которое можно в значительной мере механизировать. Снижение массы конструкции влечет за собой повышение себестоимости ее изготовления.

3. Более быстрое возведение объекта. Стандартные элементы производят в массовом количестве и хранят на складе или изготовляют в течение краткого периода благодаря хорошо разработанной технологии производства на предприятии и экспериментально проверенной прочности этих элементов.

Конструкцию необходимо стандартизировать таким образом, чтобы она могла служить для строительства зданий разного назначения и позволяла применять различные конструктивные схемы. Легкие конструкции можно использовать в зданиях, в которых технология производства не оказывает большого влияния на принятое конструктивное решение несущих элементов.

Легкость конструкций, достигнутая в несущих элементах благодаря экономичному проектированию, требует придавать профилям форму, приспособленную к роду работы стержня. Поэтому не может быть профиля с универсальным сечением.

Стандартизация элементов конструкций во многих случаях приводит к некоторому увеличению расхода стали. Следует подчеркнуть, что минимум затрат на конструкцию не совпадает ни с минимумом массы конструкции, ни с минимумом затрат на рабочую силу.

Только в некоторых случаях желательны типизация профилей и производство их без определенного назначения. Такие гнутые профили можно применять в качестве заменяющих профилей в элементах обычных стальных конструкций, в которых напряжения далеки от расчетных (например, в связях жесткости, фахверковых стенах и т. п.).

Такую же роль стандартизации легких элементов выполняет разработка системы строительства с одновременной стандартизацией профилей определенного назначения и унификацией монтажных узлов. Это позволяет:

- ограничивать в конструкциях разнородность профилей и удешевлять их изготовление, осуществляемое большими сериями, или доставку на склад;

- ограничивать производство конструкций изготовлением унифицированных узлов и приспосабливать типовые профили к этим узлам;

- осуществлять быстрый монтаж конструкций, сводящийся к массовому соединению легких стержней в узлы (в удобном положении) и последующему подъему блоков подготовленной таким образом конструкции.

В унифицированных системах строительства расход стали обычно больше, чем в типовых легких элементах. В этих случаях необходимы значительное снижение трудоемкости изготовления конструкций и экономия затрат на рабочую силу. Применение таких решений позволяет быстрее возводить конструкции, не превышать соотношение толщин соединяемых листов металла более 3;

- избегать чрезмерного ослабления сечения стержня в пределах соединений или резкого изменения формы;

- не допускать перегрузок стенок в пределах стыка в случае воздействия больших сил, вызывающих возникновение концентрации напряжений (например, в опорных узлах).

4. В случае необходимости увеличения размеров сечения проектировать условно замкнутые профили, сложенные из нескольких открытых профилей, соединенных планками или решетками, или замкнуто открытые профили, что позволит достигнуть большей жесткости при кручении.

Для того чтобы элементы конструкций отличались хорошей технологичностью, необходимо уже при проектировании профилей учитывать рекомендации, позволяющие изготовлять эти профили на заводе:

а) стержни конструкции, как правило, следует выполнять из одного профиля, что обычно соответствует более рациональному распределению материала в сечении. Благодаря этому можно избежать применения соединительных планок, решеток или длинных швов, необходимых при соединении элементов. В случае если применение одного профиля затрудняет доступ к месту соединения (например, при прокладке швов в узле решетчатой балки) или приводит к излишне сложным формам сечения, стержень надо проектировать из двух профилей;

б) профили с тонкими стенками подбирают такие, чтобы при необходимости соединения их друг с другом можно было избежать сварки при выполнении работ вне предприятия, изготовляющего стальные конструкции;

в) следует учитывать возможность выполнения стыков простейшим способом при данном станочном парке предприятия, которое должно изготовлять конструкции.

2.2.3. Прочностные характеристики профилей

При изготовлении профилей с помощью холодной формовки используют одно из важнейших свойств металлов и их сплавов - способность к пластической деформации. Холодную пластическую обработку производят обычно при температуре, почти не отличающейся от средней температуры окружающей среды. Она может быть несколько выше, но для тонкого листового металла всегда остается значительно ниже температуры рекристаллизации.

Пластическая деформация остается в элементе также и после снятия с него нагрузки. Эта деформация не вызывает нарушения связности материала, например возникновения разрывов, трещин или расслоения.

При простейшем случае линейного растяжения образца зависимости между напряжениями и деформациями можно представить с помощью графика (рис. 2-5), который иллюстрирует три фазы развития упругих и пластических деформаций. С точки зрения холодной гибки профиля интересны фазы пластичности и упрочнения.

При холодной гибке пластическая деформация сопровождается изменениями в структуре материала, возникающими в период упрочнения. Эти изменения принято называть наклепом материала.

В случае растяжения образца в одном направлении напряжения в нем упадут до нуля после снятия нагрузки, а пластическая деформация останется. Если возобновить нагрузку, ход деформации будет иллюстрировать линия O₁P₂, параллельная прямой ОР₁. Напряжения σ₂

являются новым пределом текучести, а участок нарастания пластической деформации сдвигается за точку Р₂.

Холодная гибка профилей осуществляется на всех трех фазах роста деформаций. В момент окончания профилирования волокно исходного материала приобретает деформацию, соответствующую напряжению выше начального предела текучести. Вследствие этого происходит повышение предела текучести и предела прочности материала, а также снижение его пластичности и относительного удлинения (рис. 2-6).

Изменения механических свойств стали зависят от степени полученного наклепа, выраженного в процентах. Эти изменения могут быть больше, если процесс деформации осуществляется многократно, а не один раз, как показано на рисунке. Изменения различны для разных марок стали и в значительной степени зависят от оборудования, на котором производят деформации. При профилировании на роликогибочных машинах, а особенно на волочильных станах, деформации появляются по всему профилю, хотя и не всегда равномерно. При изготовлении профилей на прессах или кромкозагибочных станах изменения носят местный характер и появляются прежде всего ближе к углам изделия. На рис. 2-7 показано распределение прочности волокон углового профиля и швеллера, изготовленных на гибочном прессе (пунктирная линия) и на роликогибочной машине (непрерывная линия).

В табл. 2-6 приведены результаты исследований, полученные во время контроля профилей, изготовленных в ФРГ из стали марки St37 (в соответствии с польской номенклатурой St3S) [95]. Среднее повышение предела текучести составляет 84%, а предела прочности - 35%, при этом уменьшается относительное удлинение металла. Результаты исследований хорошо иллюстрирует рис. 2-8, на котором приведены графики деформаций и напряжений при растяжении образцов из стали до и после холодного деформирования.

Из краткого обзора приведенных результатов исследований видно, что изменения прочностных свойств стали зависят от положения волокна в готовом профиле, величины и формы профиля, радиуса гибки угла, количества фаз гибки во время профилирования и от числа роликов в гибочной машине. Чем короче прямые участки профиля, тем больше степень изменения механических свойств.

Улучшение механических свойств стали после холодной гибки профилей, особенно при изготовлении их на роликогибочных машинах или волочильных станах, можно использовать для увеличения расчетной несущей способности элемента.
Таблица 2-6. Результаты исследований механических свойств стали в профилях холодной гибки



ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ СТАЛИ ИСХОДНОЙ ЗАГОТОВКИ

Пояс	с	Мп	P	S	Nz	Сталь
Нижний	0,16	0,38	0,049	0,023	0,008	Мартеновская
Верхний	0,18	0,38	0,039	0,022	0,07	>

Американские нормы [148] допускают расчетное повышение предела текучести стали в гнутых профилях при условии, что действительно происходит его увеличение в готовых изделиях при наличии сжимающих или растягивающих напряжений. Расчетное повышение может быть использовано только в следующих случаях:

а) если профиль имеет такие размеры, при которых под действием нормальных напряжений не может произойти местное выпучивание его стенок;

б) при определении механических свойств профиля путем испытания образцов, взятых из партии с таким сечением, какое применяется в конструкции.

Механические характеристики образцов определяют следующим образом:

- для установления предела текучести при растяжении пользуются действующими нормами (в Польше PN-62/H-04310);

- для определения предела текучести при сжатии берут короткие образцы. Значение предела текучести должно соответствовать значению предела прочности на сжатие образца, вырезанного из профиля, или значению напряжения, соответствующего остаточной деформации, равной 0,5%. В качестве нормативного принимается меньшее значение, в качестве повышенного предела - низший из полученных при испытаниях на растяжение и сжатие;

- при контроле и приемке профилей, выпускаемых «партиями» общей массой 30-50 т, проводят по два испытания. Если партия изготовленных профилей составляет менее 30 т, проводится по одному испытанию. Под «партией» понимается масса профилей одинакового сечения, изготовленных из исходного материала одной плавки и проката в ходе одного производственного процесса;

- по желанию изготовителя профилей испытания могут быть ограничены растяжением или сжатием, но при условии, что изготовитель докажет правильность выбранного им испытания для таких напряжений, которые имеют место при эксплуатации конструкции.

При определении касательных напряжений и местной устойчивости не следует брать повышенный предел текучести. Нельзя также принимать за основу повышенный предел текучести при расчете всех соединений. Условием принятия повышенного предела текучести при расчете соединений, выполненных контактной сваркой или сваркой плавлением, является проведение испытаний образца, изготовленного с помощью такого же метода сварки. Образец должен иметь шов, соответствующий натурным размерам. Каждое уменьшение прочности шва при сварке должно учитываться в проектируемой конструкции.

Новые французские нормы [167] ставят менее жесткие условия при расчетном повышении предела текучести, чем американские.

Можно применять сталь всех марок, используемых в строительных конструкциях. Желательно, чтобы удлинение при разрыве, измеренное на стандартных образцах, взятых из плоских стенок готового профиля, было не меньше 20% при длине измерения l₀ = 5,65√F (где F - площадь сечения образца). Такое требование продиктовано стремлением сохранить необходимую пластичность материала. При изготовлении профилей из листового металла толщиной более 3 мм сталь, подвергаемая холодной обработке, не должна обладать склонностью к чрезмерному старению.

Французские нормы [167] допускают расчет конструкций из гнутых профилей в зависимости от предела текучести, определенного для материала исходной ленты, плоских стенок готового профиля или вообще для материала готового профиля.

Чтобы определить пластичность материала исходной ленты из предназначенного для использования листового металла, берут произвольно минимум 12 стандартных образцов на растяжение. Для каждого образца устанавливают предел текучести при остаточном удлинении 0,2%. В качестве основы для расчетов принимают среднюю величину, уменьшенную на две величины стандартного отклонения, полученную из результатов испытаний на растяжение.

Пластичность материала исходной ленты определяют по следующим формулам:

где R_eср - средний предел текучести, полученный при испытаниях; R_e1, R_e2 , ..., R_en - предел текучести при различных испытаниях;∆R_e - стандартное отклонение; R_e - расчетный предел текучести; п - число испытаний на растяжение (минимум 12).

Такой способ определения предела текучести материала исходной ленты позволяет использовать в расчетах повышение механических характеристик тонкого листового металла на 15% для стали St3S по сравнению с толстым или профильным металлом, что соответствует нормам PN/B-03202.

С целью определения предела текучести материала плоских стенок готового профиля из них берут 12 стандартных образцов на растяжение. Образцы вырезают из нескольких поперечных сечений профиля, расположенных на равных расстояниях по всей его длине. При этом надо стремиться к тому, чтобы можно было вырезать образцы равномерно из всех стенок данного сечения профиля. Для определения предела текучести при остаточном удлинении 0,2%. Для каждого образца пользуются формулами (2-3) - (2-5). Кроме того, во время испытаний одновременно проверяют, составляет ли удлинение при растяжении минимум 20%.

Такой способ определения предела текучести целесообразен в случае профилирования, обеспечивающего достаточно равномерное повышение предела текучести материала стенок по всему периметру сечения. Если это не обеспечивается, то лучше в статических расчетах пользоваться пределом текучести материала исходной ленты. Если же повышение проявляется только в определенных зонах, то значение квадрата среднего отклонения может увеличиться настолько, что предел текучести материала плоских стенок профиля станет ниже предела текучести материала исходной ленты.

С целью определения приведенного предела текучести готового профиля проводят испытания на растяжение минимум на 12 отрезках профиля, составляя график удлинений в зависимости от силы, приложенной вдоль оси. Рекомендуется брать такую длину пробных отрезков, при

которой расстояние в свету между креплениями машины для испытаний материалов на прочность было минимум в восемь раз больше ширины профиля, а измерительная база равнялась четырем величинам той же ширины. Нет необходимости доводить испытания до разрыва образца. Вычисляют лишь нагрузку, соответствующую напряжениям, на 7,5% большим предела упругости (правильнее - предела пропорциональности). Условный предел текучести, характерный для каждого испытания, определяют делением этой силы на площадь поперечного сечения профиля. В качестве основы для статических расчетов принимается значение, полученное по формулам (2-3) - (2-5).

Для определения приведенного предела текучести готового профиля при изгибе проводят испытания на 12 отрезках профиля и составляют график изгибов в центре пролета в зависимости от изгибающего момента. Чтобы избежать влияния приложенных к образцу сил, рекомендуется пользоваться схемой нагрузки, показанной на рис. 2-9. По этой схеме вычисляют изгибающий момент, больший на 7,5% величины того момента, при действии которого изгибы были еще пропорциональны нагрузкам. Условный предел текучести для каждого образца определяют делением момента на меньший показатель жесткости профиля. В качестве основы для статических расчетов принимают величину, определяемую по формулам (2-3) - (2-5). Может получиться и так, что в результате этих испытаний будет получен предел текучести ниже установленного для материала исходной ленты. Это значит, что несущая способность профиля определяется потерей местной устойчивости стенок профиля.

Предел текучести исходной заготовки принимается для всех расчетов, независимо от характера изготовления и типа профиля при условии, что он соответствует той марке стали, для которой проводится испытание.

Предел текучести плоских стенок готового профиля может быть использован для одинаковых профилей, для которых проводилась проверка прочности на разрыв, сжатие или изгиб; прочности на срез или на кручение; общей или местной устойчивости, несущей способности соединений.

Под определением «одинаковый профиль» понимают профиль с таким же сечением, из такой же стали и так же изготовленной, как и тот, что использован для испытания на прочность.

Приведенным пределом текучести готового профиля можно пользоваться в расчетах только для профилей, для которых проводились следующие испытания:

проверка прочности на разрыв или изгиб с условием, что проектируемый элемент подвергается нагрузке в том же направлении, что и испытуемый, но при этом нагрузка не вызывает потери устойчивости;

проверка несущей способности соединений при условии, что удлинение плоских стенок профиля составляет не более 20%, а стык не проявляет склонности к появлению трещин.

Изложенные условия по использованию учета влияния наклепа кажутся довольно сложными, но дают значительный экономический эффект.

2.5.2. Защита от огня

В условиях пожара несущая способность конструкций уменьшается, поэтому их нужно защищать от воздействия огня. Основными факторами, подвергающимися изменениям во время нагревания, являются: прочность, удлинение и ползучесть стали при повышенных температурах.

Согласно исследованиям, проведенным в Швейцарии, при температуре до 350°С и напряжениях в конструкции порядка 1600 кгс/см² прочность на растяжение, модуль упругости, ударная вязкость существенно не уменьшаются и существенных изменений в удлинении образца не происходит. Полученные величины деформаций показали, что за 24 ч при температуре 350°С опасного прироста деформаций не наблюдается; предел текучести сохраняет первоначальную величину, а устойчивость конструкции и местная устойчивость не подвергаются существенным изменениям.

При температуре 400°С прочность стали снижается, а деформации возрастают. При температуре 500°С несущая способность элементов снижается до 50% первоначальной величины. При температуре 600-700°С появляются сильные деформации конструкции, несущая способность снижается до нуля и сильно деформированная стальная конструкция разрушается.

Разрушение нагруженной конструкции при повышенной температуре вызвано главным образом изменением модуля упругости. Для низкоуглеродистой стали при температуре 400°С он достигает 1 600 000 кгс/см², а при температуре 700° С - 1 200 000 кгс/см².

Ползучесть стали при повышенных температурах оказывает большое влияние на огнестойкость стальных элементов. Величина ползучести зависит от химического состава стали, технологии обработки и внутренних напряжений. Холоднокатаная сталь, как правило, характеризуется более быстрым ростом ползучести по сравнению с горячекатаной сталью.

Основным способом защиты стальных конструкций является изолирование их от нагревания до критических температур во время пожара. С этой целью применяются: бетонная облицовка, цементно-известковая штукатурка по стальной сетке, гипсовая штукатурка по стальной сетке, облицовка из сплошных керамических изделий (эта облицовка сравнительно тяжелая).

Уровень температуры в здании зависит от длительности пожара и его интенсивности. Защита должна зависеть от назначения здания.

В последние годы в США и ФРГ для защиты легких стальных конструкций от огня используют плиты и штукатурку, выполненные с добавлением материалов (вермикулита и перлита), имеющих очень высокие изоляционные качества. Вермикулит (биотитовая слюда) является сложным алюмосиликатом магния и калия и отличается переменным химическим составом. Во время нагревания до температуры 1100°С он дегидратизуется и расщепляется вдоль поверхности стыка кристаллов, увеличивая свой объем в 15-20 раз. Коэффициент теплопроводности вермикулита очень мал: 0,04-0,05 ккал/(ч*м*°С); плотность этого материала равна 80-150 кг/м³.

Опыт показал большую ценность материалов типа вермикулита для защиты легких стальных конструкций от огня. Экономический эффект применения легких противоогневых ограждений при таких материалах очень велик. Например, при строительстве в США 12-этажного каркасного здания экономия па материале противоогневой защиты составила 260 т по сравнению с ограждением, выполненным из тяжелого бетона.

Для легких конструкций используют также специальные материалы, например набрызгиваемый на стальные элементы асбестоцемент плотностью 144-192 кг/м³. Толщина защитных слоев приведена в табл. 2-11.

Для повышения огнестойкости стальных конструкций целесообразно также улучшить физико-механические свойства стали при высоких температурах, а особенно уменьшить падение прочности и ползучести.

3. СОЕДИНЕНИЯ
3.1. ОБЩИЕ ЗАМЕЧАНИЯ

При решении соединений (стыков и узлов) легких элементов нужно учитывать те факторы, которыми руководствуются проектант и изготовитель элементов обычных стальных конструкций:

- силы, действующие в соединяемых сечениях;

- сечения с наименьшей прочностью в соединяемых частях;

- прочность на срез стенок балок, поясов и заключенных между ними частой стыка;

- эксцентриситет;

- концентрацию напряжений;

- деформируемость частей стыка во время изготовления и эксплуатации.

Контроль соединений, выдерживающих усилия в стыках или узлах, проводится для легких элементов на таких же принципах, как в обычных конструкциях. Нужно только тщательно учитывать второстепенные силы, которые могут вызвать дополнительные деформации соединяемых частей. Величины этих деформаций при использовании тонкостенных профилей могут быть значительно большими, чем в конструкциях из горячекатаных профилей. Эти вопросы в большой мере связаны с формой соединяемых частей, в связи с чем надо рассматривать их индивидуально.

На рис. 3-1, а показан узел стержня из гнутого профиля лоткового сечения. Крепления полок имеют тенденцию деформироваться внутрь профиля при сжатии (рис. 3-1,б) и наружу при растяжении (рис. 3-1, в). Эту деформацию можно предотвратить, установив накладку (рис. 3-1,г).

На рис. 3-2 показано растягиваемое соединение, в котором даже небольшая сила вызывает отделение двух прилегающих друг к другу плоскостей, возникновение больших деформаций, а в результате - значительную перегрузку соединителей (в данном случае болтов). Такое решение неправильно.

Надо формировать соединение таким образом, чтобы в нем не произошла потеря местной устойчивости или деформация профиля, вызванная местным приложением сил. Усилие следует передавать на стык постепенно, а тонкие стенки - ужесточать.

Широко применяемым видом соединения являются сварка плавлением или давлением и болтовые соединения. Поскольку в легких элементах чаще всего не ограничивается минимальная толщина стенки с учетом способа соединения, то технология сварки и болтового соединения должна быть приспособлена к небольшой толщине листового металла и профилей. Применяются и другие способы соединения, кратко описанные в 3.5-3.7.

Приводимые ниже сведения и рекомендации относятся прежде всего к соединениям элементов, работающих при постоянных или преимущественно постоянных нагрузках. Это чаще всего проявляющиеся нагрузки в легких конструкциях.

Предел выносливости соединений легких элементов, особенно из гнутых профилей, известен только частично. В элементах, подвергающихся динамическим нагрузкам, нужно также учитывать старение стали, подвергавшейся холодной обработке давлением, и выбирать для профилей спокойную сталь, чтобы исключить с этой стороны опасность растрескивания.

3.4. БОЛТОВЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

В легких стальных конструкциях болтовые соединения делают в монтажных стыках, выполняемых на стройке, что значительно ускоряет монтаж конструкции. В стандартизированных конструкциях такие соединения выполняют во время сборки мелких элементов на стройке, что позволяет смонтировать конструкцию, затратив времени на монтаж на 30% меньше, чем при сварке.

При соединении листов металла толщиной менее 4 мм можно применять болты с накатанной резьбой по всей длине стержня [25]. В этом случае давление болта на стенку отверстия осуществляется нарезкой.

Монтажные отверстия для болтов, пробиваемые или просверливаемые в листовом металле толщиной 4 мм и более и развертываемые во время монтажа, должны иметь диаметр меньше на 0,5 мм.

Согласно требованиям норм PN-67/B-06200, выход резьбы стержня болта должен быть целиком погружен в подкладную шайбу и кончаться за пределами соединяемых элементов. Допускается углубление нарезки болта на два витка.

При подборе диаметров болтов в соответствии с толщиной соединяемых элементов можно пользоваться рекомендациями, приводимыми для заклепок. Однако лучше болты применять больших диаметров и не следует использовать тоньше 10 мм.

Проектирование стыков производится теми же способами, что и для обычных стальных строительных конструкций.

Испытания, проведенные в США, показали, что если расстояние между болтами велико, то разрушение стыка происходит при меньшей нагрузке, чем определяемая прочностью металла в ослабленном сечении. Поэтому американские нормы [148] рекомендуют, чтобы напряжения в таком сечении были меньше допускаемых или установленных по формуле:

k_r, = k, или k_r = (0,1 +3 d/e ) k,

где k - допускаемое напряжение для листового металла; d - диаметр стержня болта; e - расстояние между болтами.

При соединении тонких листов металла минимальные расстояния между болтами и расстояния их от края лучше принимать несколько большими, чем в обычных элементах стальных конструкций, например: расстояние между болтами

е = 3,5 d; расстояние от края элемента до оси болта в направлении, параллельном направлению действия силы,

e₁ = 2,5 d; расстояние от края элемента до оси болта в направлении, перпендикулярном направлению действия силы,

е₂ = 2d. Максимальные расстояния необходимо устанавливать в соответствии с нормами P/V-62/B-03200.

3.5. ЗАКЛЕПОЧНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

В легких стальных конструкциях заклепочные соединения используют в немногочисленных случаях:

- в стыках стальных элементов высокой прочности 80-100 кгс/мм², так как обычно сталь этих марок трудносвариваемая или несвариваемая вообще;

- в заводских стыках, выполненных в основном с. помощью точечной сварки давлением в тех их частях, где число листов металла превышает 3 или если их суммарная толщина больше 15 мм;

- в монтажных стыках, если нужно давать очень много болтов. Но даже в этом случае для уменьшения размеров соединительных деталей выгодно применять болты из высокопрочной стали (без сжатия стыка), а не заклепки.

В других решениях заклепочные соединения применять не следует.

Общие принципы проектирования и расчета заклепочных соединений тонких листов металла такие же, как и толстых. Заклепки диаметром 4-14 мм используют для листового металла толщиной 1,5-6 мм. Заклепки диаметром до 10 мм подвергают холодной клепке, заклепки большего диаметра - горячей клепке.

Чаще всего диаметр заклепок подбирают по формулам:

d = 5g + 4 мм. или d = g + 5 мм,

где g - толщина листового металла, мм.

Расстояния между заклепками в стыке должны быть такими же, как между болтами. Для расчета заклепки берется диаметр отверстия в соединяемых элементах.

Заклепочные соединения с пробитыми отверстиями характеризуются меньшей прочностью, чем со сверлеными отверстиями. Снижение прочности особенно велико при повторяющейся статической нагрузке.

Заполнение отверстия и прижатие листов металла друг к другу при холодной клепке достигаются вследствие давления, оказываемого клепочным аппаратом, и пластической осадки стержня. Степень заполнения заклепочного отверстия зависит от формы замыкающей головки заклепки. Лучшие результаты достигаются при формировании плоских замыкающих головок. При холодной клепке достигается лучшее заполнение отверстия, чем при горячей, так как во время остывания заклепка всегда подвергается некоторой усадке. Заклепки, выполняемые способом холодной клепки, также имеют предварительное растягивающее напряжение в стержне, возникающее вследствие отрыва головок пакетом листов, упруго сжатых при клепке.

6.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ПРИНЦИПЫ МЕХАНИКИ ТОНКОСТЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

6.1.1. Основные понятия и определения

Главным положением, на которое опирается сопромат, является гипотеза плоских сечений. Эта гипотеза, правильная для большинства случаев определения напряжений в призматических стержнях, утверждает, что во время упругого изгиба плоские сечения, перпендикулярные осп первоначально прямого стержня, остаются плоскими на все время действия деформации. Вначале такая гипотеза принималась при всех видах деформаций. Однако уже на заре развития науки о сопротивлении материалов оказалось, что для призматических стержней во всех случаях возникновения деформаций сдвига, а следовательно при действии крутящих моментов и поперечных сил, такое положение неправильно.

Сечения тонкостенных стержней не остаются плоскими, а подвергаются боковому выпучиванию. Боковое выпучивание плоских сечений названо их депланацией (или короблением).

В механике тонкостенных стержней гипотеза плоских сечений заменяется более общей гипотезой жесткого контура. Стержень рассматривается как цилиндрическая или призматическая оболочка, форма поперечного сечения которой в любом месте вдоль оси стержня остается неизменной. Сечение может только вращаться или передвигаться в своей плоскости (рис. 6-1). Во время деформации стержня его сечение перестает быть плоским и подвергается короблению. Гипотеза плоских сечений является частным случаем гипотезы жесткого контура.

Для профилей с открытым контуром (например, швеллерным, угловым), кроме того, принимается условие, при котором деформация сдвига центральной поверхности оболочки должна равняться нулю. Это упрощение не распространяется на профили с замкнутым контуром (например, на прямоугольные трубы).

Сечения во время деформации могут перемещаться, поворачиваться вокруг своих главных осей, подвергаться короблению. Деформации вызываются: осевой силой Р, которая в свою очередь вызывает деформацию б вдоль оси стержня; моментом М пары сил, вызывающим поворот сечения на угол ПСИ; бимоментом В двойной пары сил, вызывающим поворот двух плоскостей по отношению друг к другу, в которых находятся эти пары.

С понятием коробления (депланации) связано понятие бимомента двойной пары сил, образующих четверку самоуравновешивающихся сил. 3 качестве модели системы, в которой действуют самоуравновешивающиеся напряжения, может служить пространственная решетка, .подвергающаяся воздействию продольных сил, как показано на рис. 6-2 [141]. Под действием этих сил возникает кручение и коробление. В настоящей тонкостенной конструкции нормальные напряжения, вызванные кручением и короблением, вызывают равнодействующие, имеющие характер четверки самоуравновешивающихся сил (рис. 6-3). Такая четверка представляет собой двойную пару сил. Мерой интенсивности действия двойной пары сил является бимомент

В = Рbс = PF_AGHF кгс/см².

Бимомент поворачивает одну часть тела по отношению к другой вокруг двух осей и в двух плоскостях. Чтобы такой поворот мог возникнуть, рассматриваемое тело должно быть упругим в одном направлении, а в двух других направлениях совершенно жестким, что соответствует гипотезе жесткого контура. В качестве примера, иллюстрирующего сущность проблемы, на рис. 6-4, а показан кривой стержень, закрепленный с одной стороны и нагруженный силой Р, перпендикулярной плоскости, в которой лежит ломаная ось стержня:

В = Ра₁ r₁ + Ра₂ r₂ =P (a₁ r₁ + а₂ r₂).

Выражение в скобках является двойным полем, заключенным между отрезками оси стержня и радиусом-вектором, проведенным из точки А (места крепления стержня) к концу стержня. Обозначая соответственно двойные поля ω₁ и ω ₂, получаем

B = P(ω ₁+ ω ₂) = P _ω,

где ω - двойное заштрихованное поле четырехугольника.

Бимоменты всех внешних и внутренних сил по отношению к трем осям прямоугольной системы координат должны быть в равновесии. Следовательно, получается девять уравнений равновесия:

∑ N N_x = 0; N_y= 0; N_z = 0;

∑ М M_x = 0; M_y = 0; М_z = 0;

∑B B_x = 0; B_y = 0; В_z = 0.

Для тонкостенного стержня с открытым профилем сдвиг точки М (рис. 6-4, б) равен:

и (z, s) = θ(z) - θ'(z) x (s) - η'(z) у (s) - φ' (z) ω (s),

где θ(z) - продольный (осевой) сдвиг сечения z = const; θ'(z), η'(z) - углы поворота сечения соответственно вокруг осей х и у [производные прогибов θ(z) и η(z)]; x(s), y(s) - функции, определяющие в прямоугольных координатах положение рассматриваемой точки, Точка М лежит в плоскости z = const; φ'(z) - производная угла кручения

Первые три выражения правой части уравнения соответствуют гипотезе плоских сечений; четвертое выражение является результатом коробления, когда сдвиг точки, вызванный изгибно-крутильной деформацией, пропорционален двойному полю площади сектора.



φ(z); ω (s)- двойное поле сектора, ограниченного рассматриваемым отрезком дуги и двумя радиусами-векторами, идущими из точки А (называемой центром изгиба) к точкам на концах отрезка.

Подставляя это выражение в формулу Гука, получаем:

Формула растяжения с изгибом и кручением приобретает следующий вид:

где В(z) - бимомент самоуравновешивающихся напряжений; J - момент инерции сектора. Остальные символы имеют обычное значение, принятое в сопромате.

Для стержня с замкнутым профилем получается аналогичная формула для нормальных напряжений при растяжении с изгибом и кручением.

Теория тонкостенных стержней вводит ряд понятий, связанных с короблением открытых или замкнутых профилей. Эти понятия, общие для обоих типов профилей. Различия проявляются лишь в способе расчета их численных величин (см. 6.2-6.4).

При гипотезе плоских сечений пользуются геометрическими характеристиками:

- статическими моментами относительно оси х или у;

- моментами инерции относительно тех же осей;

- центробежным моментом инерции относительно системы осей ху;

- полярным моментом инерции;

- моментом инерции при свободном кручении открытого или замкнутого профиля.

При гипотезе жесткого контура должны быть дополнительно учтены геометрические характеристики, вытекающие из коробления открытого или замкнутого профиля. Эти характеристики обозначаются следующим образом:

секториальный статический момент площади сечения

секториальнолинейный статический момент (сечения относительно оси х)

секториальнолинейный статический момент (сечения относительно оси у)

₍6-l)

секториальный момент инерции сечения

где ω - секториальная площадь.

В состав подынтегральной функции всегда входит величина со, отнесенная к точке, расположенной на контуре сечения. При обозначении этих характеристик контур сводится к центральным осям его стенок. В теории тонкостенных стержней каждая точка контура характеризуется тремя величинами в прямоугольной системе координат: абсциссой х. ординатой у и секториальной площадью ω.

Рис. 6-5. Открытый профиль и точки контура для определения лощади сектора площади сектора

Рис. 6-6. Тонкостенные профили, в которых одна или две координаты центра сдвига известны

О - центр тяжести; S - центр сдвига; В - вспомогательный полюс; а-е - профили с одной осью симметрии па оси симметрии; ж, з - профили с двумя осями симметрии; и - профиль, симметричный по отношению к точке в центре тяжести; к - профиль, образующийся в виде системы стенок

На рис. 6-5 показан открытый профиль. В качестве полюса можно взять любую точку А. Радиусы, проведенные к любым двум точкам М₀ и М, лежащим на контуре, называются начальным радиусом АМ₀ и радиусом-вектором AM.

Секториальной площадью относительно полюса А является двойная площадь сектора АМ₀М:

где α, β, s₁, s₂ - пределы интеграла, соответствующие концам дуги М₀М; r - данная функция, определяющая форму контура [r = f(θ)]; dθ - элементарный угол поворота радиуса AM относительно радиуса АМ₀, соответствующий элементарному отрезку дуги ds, если dF = gds; g - толщина стенок, принимаемая в дальнейшем как постоянная.

Дополнительная величина секториальной площади получается при движении радиуса-вектора по часовой стрелке.

В механике тонкостенных стержней при определении размеров чаще всего -используются геометрические характеристики относительно полюса А, принимаемого в центре изгиба s.

Центром изгиба называется точка, через которую должна проходить поперечная сила, если стержень подвергается изгибу без кручения. В сечениях стержней, в которых напряжения не превышают предела упругости, положение центра изгиба зависит только от геометрических величин сечений. Ординаты центра изгиба наиболее часто встречающихся сечений показаны на рис. 6-6. Центр изгиба расположен: для профилей с одной осью симметрии (рис. 6-6, а-е) - на оси симметрии; для профилей с двумя осями симметрии (рис. 6-6, ж, з) и профилей, симметричных по отношению к точке (рис. 6-6, и), - в центре тяжести; для профилей, образующихся в виде системы стенок, пересекающихся в одной точке (рис. 6-6, г, е, ж, к), - в точке пересечения этих стенок.

Приведенные выше положения относятся к открытым и замкнутым профилям. При оценке симметричности профиля следует учитывать не только размеры контура (т. е. оси центральных стенок), но и толщину стенок.

Вспомогательный полюс В - это точка, лежащая на контуре, расстояние от которой до центра изгиба минимально и для которой величина секториальной площади равна нулю. Через эту точку проходит начальный радиус, служащий началом отсчета величин секторных полей. Для примеров, показанных на рис. 6-6, полюс В лежит на оси симметрии или на пересечении двух стенок.

Необходимо отличать центр изгиба от центра кручения. Центром кручения называется точка, вокруг которой происходит относительный поворот соседних сечений скручиваемого стержня. Геометрическое место центров кручения образует ось кручения. Вообще ось кручения не является прямой линией. Ее форма и положение по отношению к главным осям профиля зависят от нагрузки. Для профилей с двумя осями симметрии центр кручения совпадает с центром изгиба, а следовательно, и с центром тяжести.

В дальнейших пунктах данного раздела приводимые формулы будут относиться к стержням с постоянным сечением, т. е. к таким, в которых толщина стенок не изменяется по своей длине стержня. Этому условию обычно удовлетворяют гнутые профили.

Для многих профилей величина секториальной площади, определенная формулой (6-2), равна нулю. Это относится к открытым профилям, образованным стенками, пересекающимися в одной точке, и к замкнутым профилям в форме правильного многоугольника, поэтому здесь можно пользоваться понятием секториальной площади второго порядка с учетом действия коробления на толщину стенок. Однако величина этих полей, как правило, очень мала, поэтому на практике ее можно не учитывать. Основные проблемы механики тонкостенных стержней приведены в работах [14, 15, 140, 173, 174, 208, 213]. Работой, пригодной для практического применения, является книга Бычкова [45].