ГОСЫ 2016 МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ


Стали для строительных металлоконструкций: характеристики и показатели качества, работа под нагрузкой, назначение сталей.
Понятие «Металлические» конструкции» включают в себя их конструктивную форму, технологию изготовления и способы монтажа. Уровень развития металлических конструкций определяется, с одной стороны, потребностями в них народного хозяйства, с другой - возможностями технической базы развития металлургии, металлообработки, строительной науки и техники.
По прочностным свойствам стали условно делятся на три группы: обычной (Ơ у = 29 кН/см), повышенной (Ơ у = 29-40 кН/см) и высокой прочности (Ơ у>>40 кН/см).
Повышение прочности стали, достигается легированием и термической обработкой.
По химическому составу стали, подразделяются на углеродистые и легированные.
Углеродистые стали состоят из железа и углерода с добавкой кремния (или алюминия) и марганца.

К определению механических характеристик металла:
а – образец для испытания на растяжение; б– к определению предела пропорциональности и предела упругости
Углерод (У) повышая прочность стали, снижает ее пластичность и ухудшает свариваемость, поэтому применяются только низкоуглеродистые стали (У < 0,22%).
Легированные стали помимо железа и углерода имеют специальные добавки, улучшающие качество стали. Однако, добавки ухудшают свариваемость стали и удорожают ее, поэтому в строительстве используют низколегированные стали с содержанием добавки не более 5%.
Основными легирующими добавками являются кремний (С), марганец (Г), медь (Д), хром (Х), никель (Н), ванадий (Ф), молибден (М), алюминий (Ю), азот (А).
Кремний раскисляет сталь, т.е. связывает избыточный кислород и повышает ее прочность, снижает пластичность, ухудшает свариваемость и коррозионную стойкость.
Марганец повышает прочность, снижает вредное влияние серы. При содержании марганца > 1,5% сталь становится хрупкой.
Медь повышает прочность, увеличивает стойкость против коррозии. Содержание меди > 0,7% способствует старению и хрупкости стали.
Хром и никель повышают прочность стали, без снижения пластичности и улучшают ее коррозионную стойкость.
Алюминий раскисляет сталь, нейтрализует вредное влияние фосфора, повышает ударную вязкость.
Ванадий и молибден увеличивают прочность почти без снижения пластичности, предотвращают разупрочнение термообработанной стали при сварке.
Азот в несвязном состоянии способствует старению стали, делает ее хрупкой, поэтому его должно быть не более 0,009%.
Фосфор относится к вредным примесям так как, повышает хрупкость стали. В зависимости от вида поставки стали подразделяются на горячекатаные и термообработанные(закалка в воде и высокотемпературный отпуск).
По степени раскисления стали могут быть кипящими, полуспокойными и спокойными.
Спокойные стали используют при изготовлении ответственных конструкций, подвергающихся динамическим воздействиям. Полуспокойная сталь – промежуточная между кипящей и спокойной.
Выбор сталей для строительных конструкций.
Выбор стали ведется на основе вариантного проектирования и технико-экономического анализа с учетом рекомендаций норм. Поэтому следует стремиться к большей унификации конструкций, сокращению числа профилей и сталей. Выбор стали, зависит от следующих параметров, влияющих на работу материала:
температуры среды;
характера нагружения;
вида напряженного состояния;
способа соединения элементов;
толщины проката.
В зависимости от условий работы материала все виды конструкций разделены на четыре группы:
К первой группе относятся сварные конструкции, работающие в особо тяжелых условиях, поэтому возможно хрупкое и усталостное разрушение, К свойствам сталей для этих конструкций предъявляются наиболее высокие требования.
Ко второй группе относятся сварные конструкции, работающие на статическую нагрузку при воздействии одноосного и однозначного двухосного поля растягивающих напряжений (например, фермы, ригели рам, балки перекрытий и покрытий и т. д.), а также конструкции первой группы при отсутствии сварных соединений.
Общим для конструкций этой группы является повышенная опасность хрупкого разрушения. Вероятность усталостного разрушения меньше, чем для первой группы.
К третьей группе относятся сварные конструкции, работающие при преимущественном воздействии сжимающих напряжений (например, колонны, стойки, опоры под оборудование и др.), а также конструкции второй группы при отсутствии сварных соединений.
В четвертую группу включены вспомогательные конструкции и элементы (связи, элементы фахверка, лестницы, ограждения и т. п.), а также конструкции третьей группы при отсутствии сварных соединений.
Если для конструкций третьей и четвертой групп достаточно ограничиться требованиями к прочности при статических нагрузках, то для конструкций первой и второй групп важна оценка сопротивления стали динамическим воздействиям и хрупкому разрушению.
В материалах для сварных конструкций обязательно следует оценить свариваемость. Требования к элементам конструкций, не имеющих сварных соединений, могут быть снижены.
В пределах каждой группы конструкций, в зависимости от температуры эксплуатации, к сталям предъявляют требования по ударной вязкости при различных температурах.
В нормах содержится перечень сталей в зависимости от группы конструкций и климатического района строительства.
Основные  положения  метода  предельных  состояний  применительно  к  стальным конструкциям. Группы предельных состояний. Основы расчета стальных конструкций.
Цель расчета строительных конструкций - обеспечить заданные условия эксплуатации и необходимую прочность при минимальном расходе материалов и минимальной затрате труда на изготовление и монтаж.
Строительные конструкции рассчитывают на силовые и другие воздействия, определяющие их напряженное состояние и деформации, по предельным состояниям.
Метод расчета по предельным состояниям впервые был разработан в Советском Союзе в 50-е годы. Целью метода является не допускать с определенной обеспеченностью наступления предельных состояний при эксплуатации в течение всего заданного срока службы конструкции здания или сооружения, а также при производстве работ.
Под предельными состояниями подразумевают такие состояния, при которых конструкции перестают удовлетворять заданным эксплуатационным требованиям или требованиям при производстве работ.
В расчетах конструкций на действие статических и динамических нагрузок и воздействий, которым они могут подвергаться в течение строительства и заданного срока службы, учитываются следующие предельные состояния:
первой группы - по потере несущей способности и (или) полной непригодности к эксплуатации конструкций;
второй группы - по затруднению нормальной эксплуатации сооружений.
К предельным состояниям первой группы относятся: общая потеря устойчивости формы; потеря устойчивости положения; разрушение любого характера; переход конструкции в изменяемую систему; качественное изменение конфигурации; состояния, при которых возникает необходимость прекращения эксплуатации в результате текучести материала, сдвигов в соединениях, ползучести, недопустимых остаточных или полных перемещений или чрезмерного раскрытия трещин.
Первая группа по характеру предельных состояний разделяется на две подгруппы: по потере несущей способности (первые пять состояний) и по непригодности к эксплуатации (шестое состояние) вследствие развития недопустимых по величине остаточных перемещений (деформаций).
К предельным состояниям второй группы относятся состояния, затрудняющие нормальную эксплуатацию или снижающие долговечность вследствие появления недопустимых перемещений (прогибов, осадок, углов поворота, колебаний, трещин и т. п.).
Предельные состояния первой группы проверяются расчетом на максимальные (расчетные) нагрузки и воздействия, возможные при нарушении нормальной эксплуатации, предельные состояния второй группы - на эксплуатационные (нормативные) нагрузки и воздействия, отвечающие нормальной эксплуатации конструкций. Надежность и гарантия от возникновения предельных состояний конструкции обеспечиваются надлежащим учетом возможных наиболее неблагоприятных характеристик материалов; перегрузок и наиболее невыгодного (но реально возможного) сочетания нагрузок и воздействий; условий и особенностей действительной работы конструкций и оснований; надлежащим выбором расчетных схем и предпосылок расчета, учетом в необходимых случаях пластических и реологических свойств материалов. Это условие для первой группы предельных состояний по несущей способности может быть записано в общем виде
N≤Ф,
где N - усилие, действующее в рассчитываемом элементе конструкции (функция нагрузок и других воздействий); Ф-предельное усилие, которое может воспринять рассчитываемый элемент (функция физико-механических свойств материала, условий работы и размеров элементов).
Предельные состояния первой группы, ведущие к полному прекращению эксплуатации и (или) обрушению конструкций, не должны быть нарушены ни разу за весь срок службы сооружения, т.е. усилие N следует рассматривать как максимальное за весь период эксплуатации, а несущую способность элемента Ф - как минимально возможную.
Для второй группы предельных состояний, связанных, как правило, с перемещениями, также можно записать предельное неравенство:
ƒ ≤ [ƒ],
где ƒ- перемещение конструкции (функция нагрузок): [ ƒ] - предельное перемещение, допустимое по условиям эксплуатации (функция конструкции и ее назначения).
Предельные состояния второй группы, ведущие к нарушению нормальной эксплуатации, можно рассматривать как более мягкие. Поэтому расчет по второй группе предельных состояний следует выполнять на нагрузки, возникающие в процессе нормальной эксплуатации, без учета экстремальных ситуаций, приводящих к превышению этих нагрузок.
Общая характеристика сварных соединений в стальных конструкциях: работа, расчет, конструирование.
В процессе возведения сооружений элементы металлических конструкций необходимо соединять между собой. Эти соединения осуществляются с помощью электросварки, болтовых и заклепочных соединений.
Сварные соединения.Это самый распространенный вид соединений на строительных площадках. Он обеспечивает надежность, прочность и долговечность соединений, обеспечивает плотность соединений (водо- и газонепроницаемость), при применении высокопроизводительного оборудования способствует сокращению сроков и стоимости строительства. Основным видом сварных соединений является электродуговая сварка, основанная на возникновении электрической дуги между свариваемыми элементами и электродом. Дуга обеспечивает высокую температуру, порядка тысяч градусов по Цельсию и благодаря этому происходит расплавление электрода и проплавление металла свариваемых деталей. Получается общая сварочная ванна жидкого металла, который при охлаждении превращается в сварной шов. Около 70% всех сварочных работ выполняется с помощью ручной дуговой сварки (РДС). Этот вид сварки требует минимум оборудования: сварочные трансформаторы, электрические кабели, электроды с соответствующей обмазкой и организацию сварочного поста. Обмазка электрода во время сварки расплавляется и частично испаряется образуя жидкий шлак и газовое облако вокруг места сварки. Это обеспечивает устойчивое горение дуги, защиту зоны сварки от атмосферного воздуха и очистки металла шва от вредных примесей (фосфора и серы). Недостаток этого вида сварки – сравнительно низкая производительность. Для получения более качественных швов и повышения производительности труда применяется автоматическая (АДС) и полуавтоматическая сварка под слоем флюса и в среде углекислого газа. При этих видах сварки сварной электрод в виде проволоки автоматически подается в зону сварки, туда же подается флюс или углекислый газ. Эти вещества выполняют ту же функцию, что и обмазка электрода. При полуавтоматической сварке, движение электрода вдоль шва осуществляется вручную. Для сварки тонких листов (до 3 мм) применяется либо контактная точечная сварка либо валиковая. В зависимости от расположения стыкуемых элементов различают соединения встык, внахлестку, в угол и комбинированные стыки. В стыковых соединениях стыкуемые элементы находятся в одной плоскости, а в нахлесточных перекрывают друг друга. Основные типы сварных соединений представлены на рис.1. В зависимости от того какие кромки сопрягаемых элементов свариваются а) б) в) г)

Рисунок 1 - Виды сварных соединений:
а – встык, прямой и косой швы; б - внахлестку с фланговыми швами; в – внахлестку с лобовыми швами; г – стык с накладками с фланговыми швами
д) е) з) ж)

Продолжение рис 1;
д – стык с накладкой с лобовыми швами; е – с накладкой комбинированный; з – стык угловой в тавр; ж – стык в угол
Различают лобовые и фланговые швы, а в зависимости от положения в пространстве во время выполнения сварочных работ - швы нижние, горизонтальные, потолочные, и вертикальные, рис 2.

Рисунок 2 - Положение: а – стыковых и б – угловых сварных швов впространстве; 1 – нижний шов, 2 – горизонтальный, 3 – вертикальный, 4 - потолочный
 
Элементы металлических конструкций из алюминия свариваются с помощью аргоно-дуговой сварки.
Расчет сварных соединений зависит от типа стыка и от ориентации шва по отношению к действующим усилиям. Расчет стыковых швов на действие осевой силы выполняется по формуле:
N / ( t ℓw ) ≤ RwyΎc ,
где N – расчетное значение усилия; t - наименьшая толщина свариваемых листов;
ℓw - расчетная длина шва, Rwy - расчетное сопротивление стыковых сварных соединений и Ύc - коэффициент условий работы. Расчетная длина шва равна его физической длине за вычетом начального участка шва – кратера и конечного участка – непровара. В этих зонах процесс сварки нестабилен и качество шва не удовлетворяет требованиям. В данном случае ℓw = ℓ - 2t. Разрушение лобовых и фланговых швов происходит от усилий среза, см. рис.3. Срез может происходить по двум плоскостям – по металлу шва и по металлу на границе сплавления, сечения 1 и 2 рис.

Рисунок 3 - Схема среза сварных швов: а – разрушение фланговых швов, в – лобовых
Прочность по металлу шва проверяется по формуле:
N / ( βfkf ℓw ) ≤ RwfΎwΎc ,
а по границе сплавления по соотношению:
N / ( βzkf ℓw ) ≤ RwzΎwzΎc ,
где ℓw - расчетная длина шва; kf – катет шва; Ύw и Ύwz – коэффициенты условий работы шва; Ύc - коэффициент условий работы; Rwf - расчетное сопротивление сварного шва сдвигу; Rwz - расчетное сопротивление по границе сплавления; βf и βz - коэффициенты зависящие от вида сварки, диаметра сварочной проволоки, высоты катета шва и предела текучести стали.

Рисунок 4 - К расчету сварного соединения с угловым швом: 1 – сечение по металлу шва; 2 – сечение по границе сплавления
При конструировании сварных швов в стальных конструкциях необходимо соблюдать ряд конструктивных требований. Толщина свариваемых элементов не должна быть менее 4 мм и не превышать 25 мм. Минимальная расчетная длина углового шва не должна быть менее 40 мм, а максимальная не более 85 βfkf . Толщина сварного шва ограничена максимальным значением его катета kf ≤ 1,2 t, где t - наименьшая толщина соединяемых элементов.
Общая  характеристика  болтовых  соединений  в  стальных  конструкциях:  работа,  расчет, конструирование.
Болтовые соединения. Это такие соединения в которых элементы конструкций сопрягаются между собой с помощью болтов. По сравнению со сварными соединениями болтовые соединения выигрывают простотой сопряжения элементов и большой заводской готовностью и проигрывают большим расходом металла и большей деформативностью. Повышенный расход металла обусловлен ослаблением стыкуемых элементов отверстиями под болты и расходом металла на накладки, болты, гайки и шайбы, а повышенная деформативность обусловлена тем, что под воздействием нагрузки происходит выбирание неплотностей примыкания болтов и стенок соединяемых элементов.
Болты бывают обыкновенные и высокопрочные. Обыкновенные болты изготавливают из углеродистой стали холодной или горячей высадкой. Высокопрочные болты изготавливаются из легированной стали. Болты, кроме самонарезающих, изготавливают диаметром от 12 до 48 мм с длиной стержня от 25 до 300 мм. Болты различаются по классам точности. Класс С - грубой точности, нормальной точности - класс В и класс А - высокоточные болты. Разница в классах заключается в отклонениях диаметра болтов и отверстий для них от проектного диаметра. Для болтов классов С и В отклонения по их диаметру могут достигать 1 и 0,52 мм соответственно. Отверстия в стыкуемых элементах для болтов классов С и В делаются на 2 - 3 мм больше диаметра болта, а для класса А диаметр отверстий не должен быть больше 0,3 мм чем диаметр болта. Плюсовой допуск для диаметра болта и минусовой допуск для отверстия в этом случае не допускается. Разница в диаметрах болта и отверстия облегчает сборку соединений, однако эта разница и обуславливает повышенную деформативность болтовых соединений, так как под воздействием нагрузки происходит выбирание неплотностей примыкания стенок отверстий и болтов. Эта же разница в размерах приводит к неравномерности работы отдельных болтов в соединении. Поэтому болты классов В и С не рекомендуется использовать в ответственных соединениях, работающих на сдвиг. В ответственных сооружениях применяют обыкновенные болты класса А или высокопрочные болты.
Высокопрочные болты являются болтами нормальной точности, их ставят в отверстия большего диаметра. Затягивают эти болты с помощью тарировочного ключа, позволяющего контролировать усилие затяжки и силу натяжения болта. Высокопрочные болты применяют для увеличения несущей способности соединений. Достигается это тем, что при контролируемом натяжении гаек стыкуемые листы стягиваются настолько плотно, что обеспечивают восприятие сдвиговых усилий в стыке за счет трения. При таких стыках необходимо чтобы толщина стыкуемых элементов была строго одинаковой, иначе невозможно достаточно плотно прижать стыковую накладку к обоим элементам. Кроме этого необходима специальная обработка стыкуемых поверхностей (очистка от масла, грязи, ржавчины и окалины) для увеличения их способности к сцеплению. Помимо фрикционных соединений на высокопрочных болтах существуют соединения воспринимающие усилия совместной работой сил трения, смятия и среза болтов. Еще одним типом болтовых соединений являются клееные соединения. В этом случае элементы металлических конструкций сначала склеиваются, а затем стягиваются с помощью болтов. Наконец для соединения тонких и листовых соединений применяются самонарезающие болты, которые обычно изготавливаются диаметром 6 мм.
Обыкновенные болты при приложении нагрузки на узел работают на изгиб и отрыв головки, срез болта, смятие поверхностей болта и отверстия, на растяжение, рис.5, а стыкуемые листы на вырывание кромки. По мере увеличения нагрузки, работу болтового соединения на сдвиг можно разбить на четыре этапа. На первом этапе, когда силы трения между соединяемыми листами не преодолены, болт испытывает только

Рисунок 5 - Виды напряженного состояния болтового соединения: а – изгиб стержня болта; б – срез стержня болта; в – смятие стенок отверстий сопрягаемых листов; г – центральное растяжение болта
Растягивающие напряжения от затяжки гайки, а все соединение работает упруго. При увеличении нагрузки силы внутреннего трения оказываются преодоленными и наступает сдвиг всего соединения на величину зазора между болтом и отверстием. На следующем третьем этапе стержень болта и края отверстия постепенно обминаются, болт изгибается и растягивается, чему препятствуют головка и гайка болта. При дальнейшем увеличении нагрузки болт переходит в упругопластическую стадию работы и разрушается от среза, смятия, выкола одного из соединяемых элементов или отрыва головки болта.
Расчет болтового соединения производится следующим образом. Определяется несущая способность одного болта, а затем необходимое количество болтов в соединении.
Несущая способность болта из условия работы на срез определяется по соотношению:
Nb = RbsΎb A nsΎc ,где Nb – расчетное усилие воспринимаемое одним болтом на срез; Rbs – расчетное сопротивление материала болта на срез; Ύb – коэффициент условий работы соединения; A – площадь сечения стержня болта ( по ненарезанной части ); ns – число расчетных срезов одного болта; Ύc – коэффициент условий работы конструкции.
Несущая способность соединения по смятию обычно определяется исходя из смятия стенок стыкуемых элементов ( материал болта обычно прочнее )
Nb = RbpΎbdbΎc∑ t ,
где Rbp – расчетное сопротивления болтового соединения на смятие; db - диаметр болта;∑ t - наименьшая суммарная толщина сминаемых в одном направлении элементов.
Расчетное усилие, воспринимаемое болтом на растяжение, определяется по формуле
Nb = RbtAbnΎc ,
где - Rbt расчетное сопротивление материала болта на растяжение, Abn – площадь сечения болта нетто с учетом нарезки.
Число болтов в соединении n при действии сдвигающей силы N, приложенной в центре тяжести соединения, определяют исходя из условия равнопрочности всех болтов
по формуле
n = N / Nmin ,
где Nmin - наименьшее значение из определенных по соотношениям, а при работе болтов на растяжение значение из соотношения.
При работе стыка на сдвиг кроме проверки прочности болтов в соединении необходимо проверить прочность стыкуемых элементов на растяжение с учетом ослабления их сечений отверстиями и прочность на выкол( на срез ) краев стыкуемых элементов. Последняя проверка обычно не производится, так как расстояние первого ряда болтов от края листа выбирается таким образом, чтобы прочность на выкол была гарантирована.
Заклепочные соединения по характеру работы аналогичны болтовым соединениям и расчет заклепочных соединений аналогичен расчету болтовых.В настоящее время они почти не применяются из-за большой трудоемкости и малой производительности. Интересны тем, что во-первых, обеспечивают плотное соединение, так как при остывании заклепка сокращается и стягивает стыкуемые элементы и, во-вторых, тело заклепки полностью заполняет отверстие в стыкуемых элементах благодаря пластическим деформациям разогретого металла в процессе клепки. В настоящее время заклепочные соединения применяются в стальных конструкциях, подверженных вибрационным и знакопеременным нагрузкам и в алюминиевых конструкциях, так как применение высокопрочных алюминиевых сплавовисключает применение электросварки.

Рисунок 6 - Стыки листовых элементов: а – с двухсторонней накладкой; в – с односторонней накладкой
По конструктивным признакам различают два типа болтовых и заклепочных соединений – стыки и прикрепление элементов друг к другу. Стыки листового металла осуществляются с помощью накладок: односторонних или двухсторонних, рис. 5.6. Предпочтительнее двухсторонние накладки, так как они обеспечивают симметричное напряженное состояние стыка. Стыки с односторонней накладкой дают эксцентричное соединение, в нем возникают изгибающие моменты и поэтому необходимое по расчету число болтов увеличивают на 10%. Стыки профильного металла, рисунок 7 выполняют с помощью накладок - уголковых или листовых. Прикрепление элементов друг к другу
lefttop
Рисунок 7 - Болтовые и заклепочные стыки прокатных профилей: а – уголковых профилей; в – швеллеров; 1 – уголковая накладка; 2 – фаска; 3 – прокладка; 4 – листовые накладки
Также осуществляется с помощью листовых накладок, косынок или уголковых элементов.
Болты или заклепки в соединениях размещают в рядовом или в шахматном порядке на минимальном расстоянии друг от друга, которое обеспечивает прочность на выкол и удобство постанови болтов. Схема стыковых соединений листовых и уголковых элементов работающих на сдвиг приведена на рис. 8.
 
Рисунок 8 - Схема размещения болтов и заклепок в соединениях, работающих на сдвиг
Сварные, болтовые и заклепочные соединения имеют стандартизированные обозначения на строительных чертежах, рис. 9.

Рисунок 8 - Схема размещения болтов и заклепок в соединениях, работающих на сдвиг
Сварные, болтовые и заклепочные соединения имеют стандартизированные обозначения на строительных чертежах.
Характеристика стальных балочных конструкций. Подбор сечения, проверка прочности и прогибов прокатных балок.
Балки являются основным и простейшим конструктивным элементом, работающим на изгиб.
Их широко применяют в конструкциях гражданских, общественных и промышленных зданий, в балочных площадках, междуэтажных перекрытиях, мостах, эстакадах и в других сооружениях.
Достоинства: простота конструкции изготовления и надежность в работе.В конструкциях небольших пролетов длиной до 15-20м наиболее рационально применять сплошные балки.При увеличении нагрузки длина пролетов увеличивается, известны примеры применения сплошных подкрановых балок пролетом 36м и более.
Такие балки часто бывают двустенчатыми, т.е.имеют коробчатое сечение.
В автодорожных и городских мостах пролеты сплошных балок достигают 200 м более.
Типы балок У металлических балок основным типом является двутавровое симметричное сечение.
Мерой эффективности балки как конструкции, работающей на изгиб, является отношение момента сопротивления к площади сечения, равное ядровому расстоянию = W/A.
Сравнение ядровых расстояний круглого, прямоугольного и двутаврового сечений, приведенное на рис.1, показывает, что двутавровое сечение выгоднее прямоугольного в 2 раза и круглого в 3 раза.В зависимости от нагрузки и пролета применяют балки двутаврового и швеллерного сеченВ строительстве нашли применение тонкостенные балки, балки из гнутых профилей, прессованные, составные из алюминиевых сплавов, а также бистальные балки, т.е.балки, сваренные из двух марок стали, и балки предварительно напряженные.Чаще применяются балки однопролетные, разрезные которые наиболее просты в изготовлении и удобны для монтажа.ия, прокатные или составные – сварные, болтовые или клепаные (рис.2).

Рисунок .2 - а - прокатные; б - прессованные; в - сварные; г - клепаные и болтовые.Чаще применяются балки однопролетные, разрезные которые наиболее просты в изготовлении и удобны для монтажа.Однако по расходу металла они менее выгодны, чем неразрезные и консольные.Неразрезные балки благодаря наличию опорного момента, разгружающего основные моменты в пролетах, более экономичны по материалу.Они обладают большой чувствительностью к изменению температуры и осадкам опор, а так как в строительстве рекомендуют делать крайние пролеты меньше средних для сохранения постоянства сечения, то их конструкции являются индивидуальными.
Компоновка балочных конструкций При проектировании конструкции балочного покрытия рабочей площадки цеха или другой конструкции необходимо выбрать систему несущих балок, называемую балочной клеткой (рис 3).
Балочные клетки подразделяют на три основных типа: упрощенный (рис..3,а), нормальный (рис.3,б),и усложненный (рис..3,в).
Рисунок 3 В упрощенной балочной клетке (рис. 3,а) нагрузка на перекрытие передается через настил на балки настила, которые располагаются параллельно меньшей стороне перекрытия на расстоянии «а» (шаг балки) и через них на стены или другие несущие конструкции, ограничивающие площадку.
Из-за небольшой несущей способности настила поддерживающие его балки приходится ставить часто, что рационально лишь при небольших пролетах их.
В нормального типа балочной клетке (рис.16.3,б) нагрузка с настила передается на балки настила, которые в свою очередь передают ее на главные балки, опирающиеся на колонны, стены или другие несущие конструкции, ограничивающие площадку.Балки настила принимаются обычно прокатными.
В усложненной балочной клетке (рис. 3,в) вводятся еще дополнительные, вспомогательные балки, располагаемые между балками настила и главными балками, передающими нагрузку на колонны.
В этом типе балочной клетки нагрузка передается на опоры наиболее длинно.
Балки настила и вспомогательные балки обычно принимаются прокатными.
Выбор типа балочной клетки связан и с вопросом о сопряжении балок между собой по высоте.
Сопряжение балок может быть этажное, в одном уровне и пониженное.
При этажном сопряжении (рис.4,а) балки, непосредственно поддерживающие настил, укладываются на главные или вспомогательные.
Это наиболее простой и удобный в монтажном отношении способ сопряжения балок, но он требует наибольшей строительной высоты.
Рисунок 4 - При сопряжении в одном уровне (рис.4,б) верхние полки балок настила и главных балок располагаются в одном уровне, а на них опирается настил.
Этот способ позволяет увеличить высоту главной балки при заданной строительной высоте перекрытия, но существенно усложняет конструкцию опирания балок. Пониженное сопряжение (рис.4,в) применяется в балочных клетках усложненного типа.
В нем вспомогательные балки примыкают к главной ниже уровня верхнего пояса главной, на них поэтажно укладывают балки с настилом, которые располагаются над главной балкой.
Этот тип сопряжения позволяет иметь наибольшую высоту главной балки при заданной строительной высоте перекрытия.
Основные размеры балочной клетки в плане и по высоте обычно задаются технологами или архитекторами исходя из требований размещения оборудования и удобной эксплуатации помещений.
Главные балки обычно опирают на колонны и располагают вдоль больших размеров.
Расстояние между балками настила обычно бывает 0,6-1,6м при стальном и 2- 3,5м при ж/б настиле.
Расстояние между вспомогательными балками обычно назначается в пределах 2- 5м, и оно должно быть кратно пролету главной балки.
При выборе этого расстояния надо стремится получить минимальное число вспомогательных балок, причем прокатных.
Установив направление, пролет главных балок и расстояние между балками настила, выбирают тип и компонуют балочную клетку таким образом, чтобы общее число балок было наименьшим, балки под настилом и вспомогательные балки были прокатными, а сопряжения между балками были простыми и удовлетворяли имеющейся строительной высоте перекрытия.
4 Настилы балочных клеток Настилы балочных клеток разнообразны в зависимости от назначения и конструктивного решения перекрытия.Очень часто поверх несущего настила устраивают защитный настил, который может быть из дерева, асфальта, кирпича и других материалов.В качестве несущего настила чаще всего применяют плоские стальные листы или настил из сборных ж/б плит.
В последнее время начинают использовать щитовой настил, состоящий из несущего стального листа, имеющего сверху защитный слой и подкрепленного снизу продольными и поперечными ребрами.Щиты настила имеют размер до 3х12м и укладываются на балки перекрытий.Полезная нагрузка настила перекрытий задается равномерно распределенной интенсивностью до 40 кН/м2 , а предельный относительный прогиб принимают не более [f/l] 1/150.
Стальной настил. Несущий настил состоит из стального листа, уложенного на балки и приваренного к ним (рис.5,а).
Рисунок 5 - Для настилов следует использовать листы толщиной 6-8мм при нагрузке q 10кН/м2; 8- 10мм при 11q 20кН/м2 ; 10-12мм при21q 30кН/м2.
Приварка настила к балкам делает невозможным сближение опор настила при его прогибе под нагрузкой, что вызывает в нем растягивающие цепные усилия Н, улучшающие работу настила в пролете (рис.16.5,б).
При нагрузках не более 50кН/м2 , и предельном относительном прогибе не более 1/150 прочность шарнирно закрепленного по краям стального настила всегда будет обеспечена, и его надо рассчитывать только на прогиб.
Для расчета настила мысленно вырежем из него полоску единичной ширины, закрепленную по концам неподвижными шарнирами (рис.16.5,б), и тогда ее прогиб под нагрузкой:f0 - балочный прогиб в середине полоски от поперечной нагрузки «q» (Беленя Е.И., с.131); = Н/Рэ (Н - сила растяжения полоски, Рэ - Эйлерова сила);
х- расстояние от левой опоры до места определения прогиба;l - пролет настила.Искомое отношение пролета пластинки к ее толщине:n0=[f/l] - заданное отношение пролета настила к его предельному прогибу;
q- нормативная нагрузка на настил.
Искомое отношение длины пролета пластинки к ее толщине можно определять также по графикам (рис.6)
Рисунок 6 – определение искомого отношения длины пролета пластинки
Железобетонный настил Наряду со стальными настилами в перекрытиях находят применение в качестве несущего настила ж/б плиты.Толщину ж/б плит для определения веса перекрытия рекомендуется брать по табл..1
Таблица 1 Толщина железобетонной плиты
Характеристика стальных балочных конструкций. Подбор сечения, проверка прочности и прогибов составных балок.
Проверка прочности сводится к проверке наибольших нормальных, касательных напряжений, их совместного действия и при упругопластической работе материала балки к устойчивой работе стенки в области пластических деформаций.
В разрезных балках места наибольших нормальных и касательных напряжений обычно не совпадают, их проверяют раздельно.
Однако по всей длине балки изгибающие моменты и поперечная сила действуют совместно. Поэтому в дополнение к раздельным проверкам σ и τ необходима проверка совместного действия нормальных и касательных напряжений, при которой определяются приведенные напряжения. Эту проверку делают в сечениях наиболее неблагоприятного сочетания изгибающих моментов и поперечных сил: на опоре неразрезной балки, в месте изменения сечения разрезной составной балки и т. п.
Приведенные напряжения определяют по формуле:

где и - расчетные нормальные и касательные напряжения в краевом участке стенки балки на уровне поясных швов.
По этой формуле проверяют переход материала в данной точке в пластичное состояние от совместного действия нормальных и касательных напряжений.
При опирании на верхний пояс балки конструкции, передающей неподвижную сосредоточенную нагрузку, необходима дополнительная проверка стенки балки на местные сминающие стенку напряжения:
,
где - напряжения смятия в стенке под грузом;
F - расчетная сосредоточенная нагрузка;
tw и tf - толщины стенки и пояса балки; b - длина участка передачи местной нагрузки на балку.
Приведенные напряжения в этом случае проверяют в сечении под нагрузкой:
.
Если эта проверка не выполняется, то стенку балки необходимо укрепить ребром жесткости, верхний конец которого пригоняется к нагруженному поясу балки.
Прогиб балок определяют от действия нормативной нагрузки, методами строительной механики; прогиб не должен превышать значений, указанных в СНиП. Прогиб составных балок можно не проверять, если фактическая высота балки больше минимальной.
Проверка и обеспечение общей устойчивости стальных балок.
Стыки балок
Различают два типа стыков балок: заводские и монтажные (укрупнительные).
Заводскиестыки представляют собой соединения отдельных частей какого-либо элемента балки(стенки, пояса), выполняемые из-за недостаточной длины имеющегося проката. Их расположение обусловлено длиной проката или конструктивными соображениями (стык стенки не должен совпадать с местом примыкания вспомогательных балок, с ребрами жесткости и т. п.). Чтобы ослабление сечения балки заводским стыком было не слишком велико, стыки отдельных элементов обычно располагают в разных местах по длине балки, т. е. в разбежку.
Монтажныестыки выполняются при монтаже, они необходимы тогда, когда масса или размеры балки не позволяют перевезти и смонтировать ее целиком. Расположение их должно предусматривать членение балки на отдельные отправочные элементы, по возможности одинаковые (в разрезной балке стык располагают в середине пролета или симметрично относительно середины балки), удовлетворяющие требованиям транспортирования и монтажа наиболее распространенными средствами.
Стыки прокатных балок(заводские и монтажные) выполняют, как правило, сварными.
Общую устойчивость составных балок проверяют по формуле:

Общую устойчивость балок можно не проверять при передаче нагрузки через сплошной жесткий настил, непрерывно опирающийся на сжатый пояс балки и надежно с ним связанный, а также при удовлетворении условий формулы об отношении расчетной длины к ширине сжатого пояса.
Для составных главных балок, находящихся в системе балочной площадки и связанных между собой поперечными балками, на которых лежит настил, за расчетную длину сжатого пояса следует принимать расстояние между поперечными балками.
8.  Местная устойчивость элементов сечения стальных изгибаемых элементов: суть явления, проверка и обеспечение местной устойчивости. 
Проверка местной устойчивости сжатого пояса не требуется, так как она была обеспечена надлежащим назначением отношения свеса пояса к толщине.
Проверка местной устойчивости стенки балки. Под действием нормальных и касательных напряжений стенка балки может потерять местную устойчивость, т.е. может произойти ее местное выпучивание. Это произойдет в том случае, если действующие в балке отдельные виды напряжений или их совместное воздействие превысят критические напряжения потери устойчивости. Устойчивость стенки обычно обеспечивают не за счет увеличения ее толщины, что привело бы к повышенному перерасходу материала из-за большого размера стенки, а за счет укрепления ее ребрами жесткости.
Стенку балки следует укреплять поперечными ребрами жесткости, если значение

условной гибкости превышает 3,2 при отсутствии местной нагрузки на пояс балки и 2,2 – при наличии местной нагрузки.
Определяем условную гибкость стенки:

следовательно, поперечные ребра жесткости необходимы (рис. 1). Расстояние между основными поперечными ребрами a не должно превышать 2hw при lw> 3,2 и 2,5hw при `lw£ 3,2. Для балок, рассчитываемых в упругой стадии, допускается превышать указанные выше расстояния между ребрами до значения 3hw при условии передачи нагрузки через сплошной жесткий настил или при значении гибкости сжатого пояса балкиλb = lef /bf, не превышающем ее предельного значения λub (в рассматриваемом примере это условие соблюдается: в середине пролета балки λb = 6,67<λub = 15,64 и в измененном сечении λb = 12,56<λub = 14,3), и при обязательном обеспечении местной устойчивости элементов балки.
Рисунок 1 - Схема балки, укрепленной поперечными ребрами жесткости
Расстояние между ребрами назначаем , что увязывается с шагом балок настила
При шагеа = 3 м поперечное ребро жесткости попадает на монтажный стык в середине пролета балки, поэтому первое и последующие за ним ребра смещаем к опоре на расстояние а/2 = 1,5м.
Ширина выступающей части парного ребра должна быть не менее
br = hw/30 + 40 = 1500 / 30 + 40 = 90 мм.
для одностороннего – br = hw/24 + 50 = 1500 / 24 + 50 = 112,5 мм.
Толщина ребра

Принимаем ребро жесткости по ГОСТ 103–76* из двух стальных полос 90´7 мм. Ребра жесткости привариваются к стенке непрерывными угловыми швами минимальной толщины. Торцы ребер должны иметь скосы с размерами не менее 40´40 мм для снижения концентрации сварочных напряжений в зоне пересечения сварных швов и пропуска поясных швов балки.
Поперечное ребро жесткости, расположенное в месте приложения сосредоточенной нагрузки Fb = 334,08 кН к верхнему поясу балки проверяют расчетом на устойчивость: двустороннее ребро – как центрально-сжатую стойку, одностороннее – как стойку, сжатую с эксцентриситетом, равным расстоянию от срединной плоскости стенки до центра тяжести расчетного сечения стойки. При этом в расчетное сечение стойки включают сечение ребра жесткости и устойчивые полосы стенки шириной
9.  Расчет и конструктивные решения центрально сжатых стальных колонн, базы и оголовка.
РАСЧЕТНАЯ СХЕМА КОЛОННЫ
Представляет собой схематизированное изображение стержня в виде сплошной осевой линии с идеализированными условиями закрепления его концов Результат принятия расчетной схемы – установление численного значения коэффициентов расчетной длины µ и определение Сопряжение колонны с фундаментом может быть шарнирным или жестким и не имеет свободы смещения в горизонтальной плоскости, чему препятствует грунт, окружающий фундамент. Это находит отражение в расчетных схемах. Сопряжение оголовка колонны при опирании балок сверху - шарнирное. При этом, если не принять специальных мер, оголовок имеет возможность смещения в горизонтальной плоскости. На схемах препятствиями для смещения оголовка колонны служат узлы крепления вертикальных связей: рамной в продольном и крестовой в поперечном направлениях. Поэтому в расчетных схемах в оголовках колонн введены горизонтальные стержни, закрепляющие оголовок от смещений в направлении поставленных связей.
Следует отметить необходимость постановки вертикальных связей по каждому ряду колонн, обеспечивающих геометрическую неизменяемость (при шарнирном сопряжении вверху и внизу) и необходимую жесткость, воспринимающих и передающих на фундаменты

Расчетную (эффективную) длину рекомендуется принимать для расчета, главным образом, стержневых конструкций при проверке несущей способности их отдельных стержней.
Использование понятия расчетной длины предполагает разделение стержневых систем на отдельные элементы, при этом необходимо учитывать взаимодействие рассматриваемого элемента с основанием и другими элементами (в первую очередь, примыкающими к нему в узлах).
Расчетные длины сжатых, внецентренно-сжатых и сжато-изгибаемых элементов стержневых и рамных систем необходимо устанавливать в случаях, когда выполнить расчет конструкций как единых систем по деформированной схеме с учетом пластических деформаций не представляется возможным.
Под расчетной длиной стержня обычно понимают условную длину однопролетного стержня, критическая сила которого при шарнирном закреплении его концов такая же, как для заданного стержня 
По физическому смыслу расчетная длина стержня с произвольными закреплениями концов является наибольшим расстоянием между двумя точками перегиба изогнутой оси, определяемым из расчета этого стержня на устойчивость по методу Эйлера.
Согласно этому определению для установления расчетной длины необходимо применять метод расчета на устойчивость систем с прямыми стержнями при приложении нагрузок в узлах в предположении упругих деформаций. При этом следует учитывать продольные усилия в стержнях и, как правило, исключать из рассмотрения поперечные нагрузки и эксцентриситеты, вызывающие изгиб стержней.
При проектировании расчетную длину стержня lefобычно определяют по формуле
lef = mI,
где m- коэффициент расчетной длины, зависящий от условий закрепления концов стержня и вида нагрузки;
l- геометрическая длина рассматриваемого стержня.
Как и в сплошных колоннах, подбор сечения стержня сквозной колонны начинают с определения необходимой площади сечения, исходя из расчетной нагрузки и расчетного сопротивления материала. Для этого предварительно задаются величиной коэффициента φ = 0,7 / 0,9. После этого определяют требуемую площадь сечения одной ветви по формуле

По найденной площади подбирают по сортаменту ближайший номер швеллера или двутавра и определяют его гибкость относительно материальной оси х — х. Затем по формуле проверяют расчетное напряжение в колонне при выбранном сечении, исходя из гибкости относительно материальной оси х — х. Далее переходят к компоновке сечения и проверке его относительно свободной оси. Необходимо так расставить ветви сечения и законструировать решетку, чтобы удовлетворялось условие 

Типы и конструкций баз
Назначением базы (башмака) колонны является:
-распределять сосредоточенное давление от стержня колонны по определенной площади фундамента;
-обеспечить закрепление нижнего донца стержня колонны в фундаменте в соответствии с принятой расчетной схемой.
Различают два основных типа баз - шарнирные и жесткие. Простейшей шарнирной базой для центрально сжатых колонн является база, состоящая из толстой стальной опорной плиты, на которую опирается фрезерованный торец стержня (рис 1).
Применение баз с передачей усилия через фрезерованный торец стержня колонны целесообразно для колонн со значительной нагрузкой. Для легких колонн (а также в случае отсутствия торцефрезерных станков) применяют базы, в которых все усилие передается на плиту через сварные швы. 
Рисунок 1 – типы баз
Передача усилия от стержня колонны на опорную плиту может быть также осуществлена при помощи траверсы, которая служит для более или менее равномерной передачи силовых потоков от стержня на плиту, приближая конструкцию по характеру воздействия к жесткому «штампу», опирающемуся на фундамент. Одновременно траверса является опорой для плиты при ее работе на изгиб от реактивного (отпорного) давления фундамента. Сама траверса работает на изгиб как двухконсольная балка, опертая на пояса или ветви колонны и нагруженная отпорным давлением фундамента. Во внецентренно сжатых колоннах, как правило, устраивают жесткие базы, которые могут передавать изгибающие моменты. 
С этой целью траверсы приходится развивать в направлении действия момента. При относительно небольших опорных моментах траверсы делают из листов толщиной 10 - 12 мм или швеллеров. 
10.  Расчет  и конструктивные  решения  внецентренно  сжатых  стальных  колонн,  базы  и подкрановой ступени
От действующих во внецентренно сжатой сквозной колонне расчетных усилий N и М в ее ветвях возникают только продольные усилия (как в ферме с параллельными поясами). Поперечную силу воспринимает решетка. Несущая способность такой колонны может быть исчерпана или в результате потери устойчивости колонны в целом, или в результате потери устойчивости какой-либо ветви.
Усилия в отдельных ветвях колонны определяют по формуле (рисунок ниже):
N1 = Ny/h0 ± M/h0
где h0 — расстояние между центрами тяжести ветвей; у — расстояние от центра тяжести колонны до оси ветви, противоположной рассматриваемой.
К расчету сквозной внецентренно сжатой колонны

После определения усилий в ветвях наиболее напряженную из них проверяют на устойчивость в обеих плоскостях как центрально сжатый элемент. За расчетную длину принимают: в плоскости действия момента — расстояние между узлами крепления решетки, из плоскости действия момента — длину ветви.
Устойчивость колонны в целом в плоскости действия момента проверяют по формуле выше, при этом коэффициент φе определяют в зависимости от условной приведенной гибкости λef = λef √Ry/Е и относительного эксцентриситета m. Приведенную гибкость λef вычисляют, как для центрально-сжатых колонн, по формуле выше.
Относительный эксцентриситет для сквозных колонн
m = Mx/N  Ay/Ixгде А — площадь сечения ветвей колонны; у — расстояние от центра тяжести сечения колонны до оси наиболее сжатой ветви; Ix — момент инерции сечения.
Устойчивость сквозной колонны как единого целого из плоскости действия момента проверять не нужно, так как она обеспечивается проверкой устойчивости в этом направлении каждой из ветвей.
Расчет и конструирование соединительных решеток в сквозных колоннах. В сжатых колоннах всегда бывают некоторые неучитываемые расчетом случайные или конструктивные эксцентриситеты, под влиянием которых в центрально-сжатых колоннах возникают изгибающие моменты и перерезывающие силы. Интенсивность этих изгибающих моментов и поперечных сил неизвестна, так как неизвестна величина эксцентриситетов, возникающих в реальных колоннах. 
Поэтому для определения расчетной поперечной силы в центрально-сжатых составных сквозных колоннах пользуются результатами исследований, которые показали, что поперечная сила зависит от геометрических размеров колонны и материала. Элементы соединительной решетки составных сжатых стержней (колонн) рассчитывают на условную поперечную силу Qfic, принимаемую постоянной по всей длине стержня:

где N— продольное усилие в составном стержне; φ — коэффициент продольного изгиба, принимаемый для составного стержня в плоскости соединительных элементов.
Условную поперечную силу Qfic прикладывают в каждом узле составного стержня. Она равномерно распределяется между плоскостями решеток. Таких плоскостей обычно две, в результате чего на каждую плоскость действует сила (рисунок ниже):
Qx = Qs/sinβ
где β — угол между раскосом и ветвью.
Во внецентренно сжатых сквозных колоннах элементы решетки рассчитывают на поперечную силу, равную большему из значений, определенному при статическом расчете Q или условному QficСжимающие усилия в раскосе находят при раскосной решетке так же, как и в элементах фермы (рисунок ниже):
Nad = Qx/sinгде Р — угол между раскосом и ветвью.
11.  Плоские стальные стропильные фермы:  общая характеристика, типы сечений элементов, конструктивные решения узлов
Фермой называют решетчатую конструкцию, образуемую из отдельных прямолинейных стержней, связанных в узлах в геометрически неизменяемую систему.
Ферма в целом работает преимущественно на изгиб, а ее элементы (если нагрузка приложена в узлах, оси элементов пересекаются в центре узлов) на осевые усилия (растяжение или сжатие). Жесткость узлов в легких фермах несущественно влияет на работу конструкции, поэтому в большинстве случаев их можно рассматривать как шарнирные.
Фермы бывают плоскими (все стержни лежат в одной плоскости) и пространственными. Плоские фермы могут воспринимать нагрузку, приложенную в их плоскости, и нуждаются в закреплении из своей плоскости связями или другими элементами.
Основными элементами фермы являются пояса, образующие ее контур, и решетка, состоящая из раскосов и стоек.
Пояса фермы работают в основном на продольные усилия и полностью воспринимают изгибающий момент. Решетка объединяет пояса в одно целое, обеспечивает неизменяемость системы и воспринимает поперечную силу.
Максимальное усилие в элементах пояса при шарнирном опирании однопролетной фермы действует в середине ее пролета, в раскосах – у опоры.
Соединение элементов в узлах фермы осуществляют путем непосредственного примыкания одних элементов к другим или с помощью узловых фасонок.
Классифицируются фермы по назначению, статической схеме, очертанию поясов, системе решетки, способу соединения элементов в узлах и на опоре, величине усилия в элементах, напряженному состоянию.
По назначению фермы подразделяются на стропильные, фермы мостов, подъемных кранов, опор линий электропередачи и другие.
По статической схеме фермы подразделяются на балочные (разрезные, неразрезные, консольные), рамные, арочные и вантовые. Балочные разрезные системы наиболее просты в изготовлении и монтаже, но весьма металлоемки. Неразрезные фермы экономичнее по расходу материала, обладают большей жесткостью, что позволяет уменьшить их высоту, но они, как статически неопределимые системы, чувствительны к осадке опор. Рамные и арочные системы экономичны по расходу стали. Их применение рационально для большепролетных зданий. В вантовых фермах все стержни работают только на растяжение и могут быть выполнены из гибких элементов (стальных тросов).
Промежуточными между фермой и сплошной балкой являются комбинированные системы, состоящие из балки, подкрепленной снизу шпренгелем или раскосами, либо сверху аркой. Подкрепляющие элементы уменьшают изгибающие моменты в балке и повышают жесткость системы.
В зависимости от очертания поясов фермы бывают с параллельными поясами, треугольные, трапецеидальные, поли Выбор очертания ферм зависит от назначения сооружения, типа и материала кровли, системы водоотвода (малоуклонные рубероидные кровли или металлические и из асбестоцементных листов, которые требуют больших уклонов), типа и размеров фонаря, типа соединения фермы с колоннами (шарнирное или жесткое), статической схемы, вида нагрузок, определяющих эпюру изгибающих моментов (теоретически наиболее экономичной по расходу стали является ферма, очерченная по эпюре моментов).
Фермы с параллельными поясами благодаря распространению кровель с рулонным покрытием являются основными для покрытий зданий. По своему очертанию они далеки от эпюры моментов и по расходу стали не экономичны, однако имеют существенные конструктивные преимущества. Равные длины стержней поясов и решетки, одинаковая схема узлов, наибольшая повторяемость элементов и деталей и возможность унификации способствуютт индустриализации их изготовления.
Фермы треугольного очертания рациональны для консольных систем, а также для балочных систем при сосредоточенной нагрузке в середине пролета (подстропильные фермы). К конструктивным недостаткам треугольных ферм можно отнести сложный острый опорный узел, допускающий только шарнирное сопряжение с колоннами, длинные средние раскосы, подбираемые по предельной гибкости (вызывают перерасход металла). Применение треугольных ферм под распределенную нагрузку диктуется необходимостью обеспечения большого уклона кровли.
Фермы трапецеидального очертания занимают промежуточное место между треугольными и фермами с параллельными поясами, они больше соответствуют эпюре изгибающих моментов, имеют конструктивные преимущества перед треугольными фермами за счет упрощения узлов и возможности устроить жесткий рамный узел, что повышает жесткость каркаса.
Фермы полигонального очертания рационально применять для тяжелых ферм больших пролетов, так как очертание их наиболее близко соответствует параболическому очертанию эпюры изгибающих моментов, что дает значительную экономию металла. Элементы верхнего пояса таких ферм прямолинейны между узлами, криволинейное очертание достигается пе Системы решетки ферм бывают:
– треугольной (образована непрерывным зигзагом раскосов, направленных попеременно в разные стороны), эта решетка может быть дополнена стойками и подвесками, работающими только на местную нагрузку, а также служащими для уменьшения расчетной длины поясов;
– раскосной (непрерывный зигзаг образован раскосами и стойками);
– крестовой;
– ромбической и полураскосной;
– шпренгельного типа.
Оптимальный угол наклона раскосов к нижнему поясу в треугольной решетке α = 45о (обычно 40 – 50о), в раскосной – α = 35о (обычно 30 –40о).Направление опорного раскоса может быть восходящим (раскос идет от нижнего опорного узла к верхнему поясу) и нисходящим (направление раскоса от опорного узла верхнего пояса к нижнему). В практике проектирования зданий для стропильных ферм чаще применяется восходящий опорный раскос. Такое решение позволяет надежнее обеспечить горизонтальную жесткость рамы здания при работе фермы как ригеля, конструктивно лучше решить опорный узел и расположение связей. При нисходящем раскосе имеется ряд преимуществ: они растянуты (меньше требуют металла); центр тяжести фермы лежит ниже ее линии опирания (ферма более устойчива на монтаже). Недостаток – удлинение колонны на высоту фермы, что влияет на устойчивость колонны.
Выбор типа решетки зависит от схемы приложения нагрузки, очертания поясов и конструктивных требований.
Треугольная система решетки имеет наименьшую суммарную длину элементов и наименьшее число узлов при кратчайшем пути усилия от места приложения нагрузки до опоры. Различают фермы с восходящими и нисходящими раскосами. В местах приложения сосредоточенных нагрузок можно установить дополнительные стойки и подвески. В фермах трапецеидального очертания или с параллельными поясами треугольная система решетки является достаточно эффективной. Недостатком треугольной решетки является наличие длинных сжатых раскосов, работающих на устойчивость.
В раскосной системе решетки все раскосы имеют усилия одного знака, а стойки – другого. При проектировании необходимо стремиться, чтобы длинные раскосы были растянуты, а короткие стойки сжаты. Это требование удовлетворяется при нисходящих раскосах в фермах с параллельными поясами. Раскосная решетка более металлоемка и трудоемка по сравнению с треугольной. Путь усилия от места приложения нагрузка до опоры длиннее, он идет через все стержни раскосной решетки и узлы. Применение раскосной решетки целесообразно при малой высоте фермы и больших узловых нагрузках.
Крестовая решетка одинаково работает при смене направления нагрузки на противоположное и чаще всего выполняется из гибких стержней. В этом случае сжатые раскосы, вследствие большой гибкости, выключаются из работы из-за потери устойчивости (в расчетную схему не входят) и решетка превращается в раскосную с растянутыми раскосами и сжатыми стойками.
Ромбическая и полураскосная решетки благодаря двум системам раскосов обладают большой жесткостью, применяются в фермах большой высоты для уменьшения расчетной длины стержней и особенно рациональны при работе конструкций на значительные поперечные силы.
Шпренгельную решетку применяют для уменьшения размеров панели при рациональном угле раскоса. Она более трудоемка, однако при частом расположении прогонов достигается предотвращение местного изгиба элементов пояса в местах приложения сосредоточенных сил и уменьшение их расчетной длины, что может обеспечить снижение расхода стали.
По способу соединения элементов в узлах фермы подразделяются на сварные и болтовые. Болтовые соединения на высокопрочных болтах, как правило, применяются в монтажных узлах.
По величине максимальных усилий условно различают легкие од-ностенчатые фермы с сечениями элементов из простых прокатных или гнутых профилей (при усилиях в стержнях N ≤ 3000 кН) и тяжелые фермы (N > 3000 кН). Стержни тяжелых ферм отличаются от легких более мощными сечениями, составленные из нескольких элементов, и обычно проектируются двустенчатыми. В качестве легких ферм обычно используются стропильные фермы (фермы кровельного покрытия).
По напряженному состоянию фермы можно разделить на обычные и фермы с регулированным напряжением – с затяжками (шпренгелями), со смещением уровня опор в неразрезных фермах и другие.
Генеральными размерами фермы является ее пролет и высота. Пролет выбирают в зависимости от технологического процесса, который протекает в здании (расстановка оборудования, организация потоков и т.п.). Если нет ограничений технологического характера, пролет назначается из экономических соображений. В целях типизации пролеты ферм унифицируются и принимаются кратными модулю 6 м, т.е. 18, 24, 30, 36, 42 м). В отдельных случаях допускается модуль 3 м.
Высота фермы в середине пролета определяется условиями минимального веса, требуемой жесткости, характеризуемой заданным прогибом, и габаритами при перевозке, как правило, железнодорожным транспортом (наибольший габарит по вертикали 3,85 м). Практически из условий стандартизации геометрической схемы высоту стропильных ферм рационально принимать одинаковой для всех ферм различных пролетов: в типовых фермах трапецеидального очертания – 2,2 м (между обушками на разбивочной оси колонны) и в фермах с параллельными поясами 3,15 м.
Высота треугольной фермы в середине пролета определяется в зависимости от пролета и уклона верхнего пояса и может достигать значительных размеров.

Рисунок 1 - Плоская (а) и пространственная (б) фермы

Рисунок 2 - Элементы ферм

Рисунок 3 - Узлы ферм

Рисунок 4 – Системы ферм
12.  Сбор нагрузок и статический расчет стальных ферм,  подбор сечений элементов и расчет узлов
Выбор статической схемы и очертания ферм зависит от назначения и архитектурного решения сооружения.
При выборе статической схемы ферм (разрезная, неразрезная) необходимо учитывать свойства оснований. При просадочных основаниях использование статически неопределимых систем может привести к значительным дополнительным усилиям от осадки фундаментов.
На фермы, как правило, действует несколько временных нагрузок и, для того чтобы найти их невыгодное сочетание, усилия в стержнях ферм следует определить отдельно для каждого вида нагрузки. Так, в стропильных фермах усилия следует определять для следующих нагрузок:
• постоянной, в которую входит собственный вес фермы и вес всей поддерживаемой конструкции (кровли с утеплителем, фонарей и т.п.);
• временной нагрузки от подвесного подъемно-транспортного оборудования, полезной нагрузки, действующей на подвешенное к ферме чердачное перекрытие, и т.п.;
• кратковременной, атмосферной — снег, ветер.
Расчетная постоянная нагрузка, действующая на узел стропильной фермы, зависит от грузовой площади, с которой она собирается (заштриховано на рис. 1, б):

Рисунок 1 – Расчетная схема фермы (а) и определение узловых нагрузок (б)
ее определяют по формуле:

де – gf- вес фермы и связей кН на м2горизонтальной проекции кровли;
- gкр - вес кровли кН/м2- α - угол наклона верхнегопояса к горизонту;
- b- расстояние между фермами;
- di-1 - длины примыкающих к узлу панелей;
- di- принимают со своими значениями коэффициентов по нагрузке;
Расчетную нагрузку от снега определяют по формуле:

где – S0 - вес снегового покрова на 1 м2 горизонтальной проекции;
- γfsкоэффициент надёжности по снеговой нагрузке;
Значение Fsдолжно определятся с учётом возможного неравномерного распределения снегового покрова около фонарей и перепадов высот.
Снег - нагрузка временная и может загружать ферму лишь частично; загружение снегом одной половины фермы может оказаться невыгодным для средних раскосов.
Давление ветра учитывается только на вертикальные поверхности, а также на поверхности с углом наклона к горизонту более 30°, что бывает в башнях, мачтах, эстакадах, а также в крутых треугольных стропильных фермах и фонарях. Ветровая нагрузка, как и другие виды нагрузок, приводится к узловой.
Определение усилий в стержнях ферм
При расчете легких ферм предполагается, что в узлах системы - идеальные шарниры, оси всех стержней прямолинейны, расположены в одной плоскости и пересекаются в узле в одной точке (в центре узла, см. рис.1, а). Стержни такой идеальной системы при узловой нагрузке работают только на осевые усилия: напряжения, найденные по этим усилиям, являются основными. В связи с фактической жесткостью узловых соединений в стержнях фермы возникают дополнительные напряжения от узловых моментов, однако при отношении высоты сечения стержня и его длине h/l< 1/10 они малы и при расчете их обычно не учитывают. При большей жесткости стержняh/l>1/10 влиянием моментов уже нельзя пренебречь, поскольку они приводят к более раннему развитию пластических деформаций, что снижает хрупкую прочность стали. Моменты от жесткости узлов следует учитывать при отношении
h/l>1/15.
Если оси стержней фермы не пересекаются в одной точке, то при расчете следует учесть узловой момент M= (N1-N2)e(рис. 2, а).

Рисунок 2 – К расчету ферм: а – определение узловых нагрузок от расцентровкиузлов, б –определение моментов от внеузловой сосредоточенной нагрузки, в то же, от распределенной нагрузки.
Усилия в элементах фермы можно определить любым методом строительной механики. Для ферм с параллельными поясами это проще всего сделать методом сечений; для треугольных и трапецеидальных ферм - методом вырезания узлов или графически путем построения диаграммы. Если на ферму действует подвижная нагрузка, то для определения максимальных усилий в элементах фермы следует воспользоваться линиями влияния. Если на ферму действует внеузловая нагрузка (например, при подвеске к поясу фермы трубопровода или при смещении прогона с узла фермы), то напряжения от этого момента являются основными и ими нельзя пренебрегать. Пояс фермы в этом случае можно рассматривать как неразрезную балку, опирающуюся на узлы фермы. Значения моментов в поясах приближенно можно определить по формулам:
- при сосредоточенной нагрузке

К-т 0,9 учитывает неразрезность пояса.
- при равномерно распределенной нагрузке
Пролетный момент в крайней панели

Пролетный момент промежуточных панелей

Опорный момент

Для подбора сечении элементов ферм необходимо получить для каждого элемента максимальное возможное усилие, т.е. найти наиболее невыгодное сочетание. Для разных элементов это могут быть разные комбинации временных нагрузок. Поэтому определение усилий следует выполнять для каждой нагрузки отдельно, а затем выбирать такое сочетание (основное или особое), при котором усилие в элементе будет максимальным.
13. Конструкция подкрановых балок и их нагрузки
Подкрановые балки представляют собой конструкции, по которым передвигаются мостовые подъемные краны, обслуживающие производственные помещения. Опорами подкрановых балок обычно служат колонны. Мостовые краны передвигаются по рельсам, уложенным на верхний пояс балки. 
Подкрановые балки могут быть сплошными и решетчатыми (подкрановые фермы); наиболее распространенными являются сплошные балки. Главными особенностями работы подкрановых балок являются:
восприятие подвижной вертикальной нагрузки от крана, оказывающей динамическое воздействие на балку;
воздействие сравнительно больших сосредоточенных давлений от колес крана, передающихся через поясные соединения (сварные швы или заклепки) на стенку балки и вызывающее ее смятие;
наличие поперечных тормозных сил, вызывающих изгиб верхнего пояса в горизонтальной плоскости.
Мостовой кран состоит из двух главных балок (ферм), по которым передвигается грузовая подъемная тележка. Груз на крюке чаще всего (кроме специальных случаев) подвешивается на гибких тросах, которые во время подъема наматываются на вращающийся барабан лебедки крана. Максимальная величина груза, которую может поднять кран, характеризует грузоподъемность крана Q. Этот груз, а также собственный вес крана и тележки передаются на подкрановые балки через ходовые колеса крана (рис.1).



Рисунок 1 - Схема мостового крана
В зависимости от местоположения грузовой тележки давление колес крана может иметь максимальное и минимальное значение. Максимальные значения давления колес крана, равно как и взаимное расположение колес, указаны в стандартах на краны. При этом в ГОСТ на краны указаны нормативные (эксплуатационные) значения давлений колес крана на подкрановые балки.
Для получения расчетных давлений нормативные нагрузки должны быть умножены на коэффициент перегрузки, который для кранов принимается равным n = 1,3. Кроме того, вследствие возможных резких изменений в скоростях подъема груза, неровностей пути крана и других причин крановая нагрузка умножается на динамический коэффициент, равный 1,1. Таким образом, расчетная нагрузка от давления колеса крана будет равна
По характеру работы различают краны легкого, среднего и тяжелого режимов. К кранам легкого режима работы относятся краны, которые работают нерегулярно и работа которых часто ограничивается монтажем оборудования. 
Тяжелый режим работы кранов характеризуется относительной продолжительностью включения (ПВ) — не менее 40% — и использованием крана в течение суток не менее чем на 67% времени. Все остальные краны относятся к среднему режиму работы (например, большинство кранов машиностроительных заводов). 
В зависимости от режима работы давление колес кранов Pмакс различно.
Поперечные горизонтальные тормозные силы возникают вследствие того, что нагруженная грузовая тележка, двигаясь по балкам крана, перед остановкой тормозит. В результате на крановый мост передается поперечная тормозная сила T0, определяемая по формуле
где Q — грузоподъемность крана в т;  g — вес тележки в т, принимаемый по стандартам на краны; при отсутствии данных допускается считать g = 0,3 Q; 1/10 — коэффициент трения;  2/4 — дробь, где в числителе указано число тормозных колес,  в знаменателе — общее число колес тележки (поскольку сила трения возникает только под теми колесами тележки, на которых поставлены тормоза). Тормозная сила Т0 передается на одну подкрановую балку и распределяется поровну между ходовыми колесами крана. Расчетные тормозные силы, так же как и вертикальные силы давления колес, получаются умножением их на коэффициент перегрузки n = 1,3. 
В зданиях с тяжелым режимом работы горизонтальные тормозные силы увеличиваются умножением на коэффициента, учитывающий возможные перекосы, удары и другие случайные воздействия, передающиеся на верхний пояс балки. Значение коэффициентов а для определения боковых сил от крановых мостов.
14  Металлические каркасы зданий и сооружений.  Металлические каркасы зданий и сооружений
Каркасы промышленных зданий. Металлический (стальной каркас) промышленных зданий в основном состоит из тех же элементов, что и железобетонный. Косновным из этих элементов относятся колонны, подкрановые балки, стропильные и подстропильные фермы, связи (рис. 1).
Соединение элементов в каркас осуществляется с помощью болтов, заклепок или путем сварки. Для этой цели при изготовлении элементов в них предусматривают специальные отверстия, косынки, монтажные столики.

Рисунок 1 - Основные элементы стального каркаса промышленного здания:1 — колонна рамы; 2 — стропильная ферма (ригель); 3 — подкрановая балка; 4 — фонарь; 5 — связи фонаря; 6 — вертикальные связи между колоннами; 7—связи покрытия горизонтальные; 8 —то же, вертикальные; 9— ригель; 10— прогоны
Колонны. Стальные колонны (рис. 2) по конструкции делят на сплошные и сквозные. Сплошная колонна состоит из одного профиля, нескольких вертикальных листов, или профилей и листов, сваренных между собой по всей высоте. Эти колонны имеют сплошное, без разрывов, поперечное сечение.Сквозные колонны состоят из нескольких отдельных ветвей, соединенных между собой планками или решетками.
В стальных колоннах различают две основные части: стержень (ветвь) и базу (башмак). В зависимости от конструкции стержня колонны могут быть постоянного сечения, ступенчатые и раздельного типа. Колонны раздельного типа состоят из шатровых и подкрановых ветвей, соединенных между собой, но нагрузки от покрытия и кранов воспринимающих самостоятельно.

Рис. 2. Типы стальных колонн: а — постоянного сечения с консолью; б—ступенчатая; в — раздельная; 1 — стержень колонны; 2 — башмак; 3 — отверстие в колонне для прохода; 4 — шатровая ветвь колонны; 5 — подкрановая ветвь колонны; 6 — соединяющая планка
В строительстве наиболее широко применяют колонны ступенчатого типа. Надкрановая часть (над-колонник) такой колонны состоит из одной ветви, подкрановая — из двух вет-В€й, соединенных между собой решеткой.
Основной частью башмака колонны является стальная плита толщиной 40-75 мм, на которую опирается ветвь колонны. Башмаки служат для передачи нагрузки от колонны на фундамент.(К фундаменту башмаки крепят анкерными болтами. Башмаки и нижняя часть колонн, соприкасающиеся с землей, во избежание коррозии обетонируют.
Подкрановые балки. Стальные подкрановые балки изготовляют сплошными или решетчатыми (рис. 68).
Сплошные балки состоят из прокатныхдвутавров или составного сечения на сварке. Решетчатые балки изготовляют в виде сварных шпренгеля или фермы.

Рисунок 3 - Сечения и схемы стальных подкрановых балок и крепление к ним рельса: а и б — сплошные балки; в — балки в виде шпренгеля; г — балки в виде ферм
Наиболее распространены сплошные подкрановые балки. Они имеют двутавровое сечение со сплошной стенкой — симметричное или несимметричное (с развитым верхним поясом). Несимметричные сечения применяют для балок пролетом 6 м, симметричное —12 и 24 м. Стальные подкрановые балки имеют длину 6, 12 и Им. Балки длиной 6 и 12 м могут опираться как на стальные, так и на железобетонные колонны, а длиной 24 м — только на стальные колонны. Наряду с разрезными балками в строительстве применяют также и неразрезные подкрановые балки, которые по сравнению с разрезными имеют меньшую высоту, требуют меньшего расхода металла, но более трудоемки в изготовлении и монтаже. Для крепления балок к колоннам и между собой в нижнем поясе балок у опор и в торцовых ребрах предусмотрены отверстия для болтов. Балки могут быть изготовлены из стали марки СтЗ, низколегированной стали или из стали двух марок: пояса — из низколегированйой, стенка — из СтЗ.

Рисунок 4 - Стальные фермы: а — с параллельными поясами; б — треугольная; в — полигональная
Стропильные фермы. Стальные стропильные фермы применяют в покрытиях зданий пролетом 18, 24, 30, 36 м и более при стальных или железобетонных колоннах с шагом 6 и 12 м.
В зависимости от очертания верхнего пояса фермы могут быть с параллельными поясами, треугольные, полигональные (рис. 4).Фермы с параллельными поясами применяют в плоских покрытиях промышленных зданий при пролете 18—36 м и шаге колонн б и 12 м. Конструктивные преимущества ферм с параллельными поясами состоят в том, что длина элементов поясов и решетки одинаковая и, следовательно, имеется возможность применить стандартные элементы и тИповые узлы, что способствует индустриализации изготовления ферм.Треугольные фермы применяют в зданиях при крутых уклонах кровли, например, при устройстве кровли из асбестоцементных листов.
Полигональные фермы используют в покрытиях зданий с рулонной кровлей, с фонарями и без фонарей, с внутренним и наружным водостоком, с пролетом 18, 24, 30 и 36 м при стальных и железобетонных колоннах, с шагом 6 и 12 м. Эти фермы представляют собой сквозную (решетчатую) несущую конструкцию, состоящую из отдельных стержней, соединенных в узлах сваркой при помощи фасонок.Стальные фермы обычно изготовляют из прокатных уголков. Стержни этих ферм состоят из парных уголков. Элементы фермы соединяют в узлах также сваркой при помощи фасонок (косынок) из листовой стали, располагаемых между парными уголками. Решетка в стальных фермах принята треугольной.
Опоры для ферм устраивают неподвижными, кроме ферм, устанавливаемых в температурных швах. В этих фермах одна из опор устанавливается на катках или сферических поверхностях и является подвижной.
На стальные колонны фермы опираются непосредственно выступающим краем торцовой фасонки. Опорный узел фермы соединяют с колонной болтами, для чего к верхнему концу колонны приваривают горизонтальную диафрагму.
При жестком соединении фермы с колонной (не шарнирном) колонну делают выше на 2200 мм. В этом случае нижний опорный узел фермы устанавливают на монтажный столик из уголка, приваренного к колонне, и соединяют с ней болтами. При опирании ферм на железобетонные (или кирпичные) опоры их крепят с помощью анкеров. При кирпичных опорах под концы (опорные части) ферм укладывают бетонные подушки.

Рисунок 5.- Подстропильная стальная ферма
Фермы могут быть изготовлены полностью из стали марки СтЗ или из стали двух марок: пояса — из низколегированной стали, решетка—из стали марки Ст 3.
Подстропильные фермы. Стальные подстропильные фермы применяют в покрытиях промышленных зданий в тех случаях, когда колонны располагаются с шагом 12 м, а стальные стропильные фермы — с шагом 6 м. Фермы устанавливают на стальные или железобетонные колонны.
Подстропильные стальные фермы (рис. 5) представляют собой сквозную решетчатую конструкцию, состоящую из стальных стержней, соединенных между собой в узлах сваркой при помощи фасонок. Все стержни фермы, кроме средних стоек, состоят из прокатных парных Уголков. Средние стойки — из швеллеров. Номинальный пролет фермы 12 м. Фермы, устанавливаемые у торцовых стен и у температурных швов, имеют пролет 11,5 м.
Стропильные фермы, расположенные в плоскости колонн, опираются на стальные подколенники подстропильных ферм. Для опи-рания стропильной фермы, расположенной между колоннами в подстропильной ферме, устроена специальная горизонтальная площадка из стальнсго листа, приваренного поверх средней фасонки нижнего пояса.

Рисунок 6 - Связи в покрытии по стальным фермам (схема): а — по верхнему поясу; б —- по нижнему поясу; 1 — торцовая стена; 2 — стропильные фермы; 3,6— распорки; 4 — горизонтальные связи поперечные; 5 — вертикальные связи; 7 — горизонтальные связи продольные; 8 — промежуточный жесткий блок (при длине температурного блока больше 60 м); 9 — плиты покрытий; 10 — ось температурного шва
Подстропильные фермы могут быть изготовлены полностью из стали марки Ст 3 или из стали двух марок: пояса — из низколегированной стали, решетка — из стали марки Ст 3.
Связи. Пространственная жидкость стального каркаса обеспечивается креплением колонн к фундаментам анкерными болтами и установкой связей.
Продольные вертикальные связи между стальными колоннами выполняют так же, как и в железобетонном каркасе. Связи покрытия (совместно с настилом, приваренным к фермам) соединяют все стропильные фермы в пределах температурного блока в единую жесткую пространственную систему. При этом две фермы с каждого конц температурного блока соединяют горизонтальными (поперечными) и вертикальными связями в жесткий блок, а остальные фермы крепят к этим блокам верхними распорками и нижними растяжками.
Вертикальные связи покрытия устанавливают в плоскостях продольных рядов колонн, а также по середине пролета (в фермах пролетом 24 и 30 м) и в третях пролета (в фермах пролетом 36 м). Элементы связей, распорок и растяжек состоят из одиночных или спаренных прокатных профилей (уголков, швеллеров и др.). В покрытиях с фонарями связи устраивают также и в фермах фонаря.
Каркасы специальных сооружений. Каркасы мачт. Мачтой называют вертикально установленный ствол, шар-нирно опирающийся на фундамент и удерживаемый в вертикальном положении одним или несколькими ярусами оттяжек (рис. 7).
Стволы (каркасы) мачт, как правило, бывают решетчатые.
Решетчатые мачты имеют поперечное сечение в виде равностороннего треугольника или квадрата и высоту до 600 м. Типовые мачты изготовляют на заводах отдельными сварными пространственными секциями длиной 6,75 м. По своему устройству и назначению секции делятся на опорные, оттяжечные (предназначенные для крепления канатов оттяжек), промежуточные и специальные (для крепления к ним площадок и установки каких-либо устройств).Решетчатые мачты треугольного и квадратного сечений имеют пояса и ре-щетку из труб или прокатных профилей. Соединение секций на монтаже производят болтами через фланцы, приваренные к торцам поясов.

Рисунок 7 - Радиомачта
Устойчивость радиомачт обеспечивается оттяжками. Оттяжки в большинстве случаев направлены под углом 45° к горизонту и представляют собой стальные канаты, закрепленные к стволу мачты и к анкерным фундаментам, специально сооружаемым для этой цели. В случае если мачта находится под током, в канат оттяжки встраивают изоляторы. Для возможности изменения длины оттяжек, а следоваельно, усилия в них закрепление оттяжек к якорям осуществляют через стяжные устройства.
Каркасы башен. Башня — свободно стоящая простран. ственная конструкция, заделанная в основание путем крепления ее к фундаментам анкерными болтами.
Металлические каркасы типовых башен имеют высоту до 260 и уникальные — до 600 м. Башни проектируют преимущественно четырехгранной, реже трех и восьмигранной пирамидальной формы. Верхняя часть башни обычно призматическая с размером поперечного сечения 1,75 X 1,75 м и более. Конструкции пирамидальной части отгружают на монтажную площадку в виде отдельных элементов поясов и решетки, а призматической — в виде пространственных секций высотой 5—7,5 м. Элементы поясов и распорки изготовляют из труб длиной 7,5— 9 м, а решетки — из уголков.
15.  Стальные  рамные  конструкции  покрытий  большепролетных  зданий.  Работа под  нагрузкой, основы расчета.
Рамные конструкции для покрытий зданий применяют при пролёте L=40 — 150м, при пролёте L > 150м они становятся неэкономичными.Преимущества рамных конструкций по сравнению с балочными — это меньший вес, большая жёсткость и меньшая высота ригелей.Недостатки — большая ширина колонн, чувствительность к неравномерным осадкам опор и изменениям Tо .Рамные конструкции эффективны при погонных жесткостях колонн, близких к погонным жесткостям ригелей, что позволяет перераспределить усилия от вертикальных нагрузок и значительно облегчить ригели.При перекрытии больших пролётов применяют, как правило, двухшарнирные и бесшарнирные рамы самых разнообразных очертаний (см. рис.2).
Рисунок 2 - Схемы сквозных рам
Бесшарнирные рамы более жёсткие и экономичные по расходу материала, однако, они требуют устройства мощных фундаментов, чувствительны к изменению То.
При больших пролётах и нагрузках ригели рам конструируют как тяжёлые фермы, при сравнительно малых пролётах (40-50м) они имеют такие же сечения и узлы, как лёгкие фермы. 
Поперечные сечения рам аналогичны балочным фермам.
 Компоновка каркаса и покрытия из рамных конструкций аналогична решению каркасов промышленных зданий и балочных покрытий.Каркасы большепролетных покрытий с балочными и рамными несущими системами имеют компоновочную схему, близкую к каркасам производственных зданий. При больших пролетах и отсутствии подкрановых балок целесообразно увеличивать расстояния между основными несущими конструкциями до 12-18 м. Системы вертикальных и горизонтальных связей имеют те же назначения, что и в производственных зданиях и компонуются аналогично.
Компоновка рамных покрытий бывает поперечная, когда несущие рамы ставят поперек здания, ипродольная, характерная для ангаров. При продольной компоновке основная несущая рама ставится в направлении большего размера плана здания и на нее опираются поперечные фермы.
Верхние и нижние пояса несущих рам и поперечных ферм развязываются крестовыми связями, обеспечивающими их устойчивость.
В арочных системах шаг арок принимается 12 м. и более; по аркам укладываются главные прогоны, на которые опираются поперечные ребра, поддерживающие кровельный настил.
При больших пролетах и высотах основных несущих систем (рам, арок) применяются пространственно устойчивые блочные конструкции путем спаривания соседних плоских рам или арок, а также применением трехгранных сечений арок. Арки соединяются в ключе продольными связями, значение которых для жесткости сооружения особенно велико при большой стреле подъема арок, когда повышается их общая деформативность.
Рамные конструкции
Рамы, перекрывающие большие пролеты, могут быть двухшарнирные и бесшарнирные.
Бесшарнирные рамы более жестки, экономичнее по расходу металла и удобнее в монтаже; однако они требуют более массивные фундаменты с плотными основаниями для них и более чувствительны к температурным воздействиям и неравномерным осадкам опор.
Рамные конструкции по сравнению с балочными более экономичны по затрате металла и более жестки, благодаря чему высота ригеля рамы имеет меньшую высоту, чем высота балочных ферм.

Рисунок 4 - Рамные конструкции
Рамные конструкции применяются для пролетов до 150м. При дальнейшем увеличении пролетов они становятся неэкономичными.
В большепролетных покрытиях применяются как сплошные, так и сквозные рамы.
Сплошные рамы применяются редко при небольших пролетах (50-60 м), их преимущества: меньшая трудоемкость, транспортабельность и возможность уменьшения высоты помещения.
Наиболее часто применяются рамы с шарнирным опиранием. Высоту ригеля рам рекомендуется принимать равной: при сквозных фермах 1/12-1/18 пролета, при сплошных ригелях 1/20 – 1/30 пролета.
Рамы рассчитывают методами строительной механики. В целях упрощения расчета легкие сквозные рамы можно приводить к эквивалентным им сплошным рамам.
Тяжелые сквозные рамы (типа тяжелых ферм) должны рассчитываться как решетчатые системы с учетом деформации всех стержней решетки.
При больших пролетах (более 50 м) и невысоких жестких стойках необходимо производить расчет рам на температурные воздействия.
Ригели и стойки сплошных рам имеют сплошные двутавровые сечения; их несущая способность проверяется по формулам для внецентренно сжатых стержней.
В целях упрощения расчета решетчатых рам их распор допускается определять как для сплошной рамы.
Рекомендуется следующий порядок расчета большепролетных рам:
приближенным расчетом устанавливают предварительные сечения поясов рамы;
определяют моменты инерции сечений ригеля и стоек по приближенным формулам;
рассчитывают раму методами строительной механики; расчетную схему рамы следует принимать по геометрическим осям;
определив опорные реакции, находят расчетные усилия во всех стержнях, по которым окончательно подбирают их сечения.

Рисунок 5 – конструкция раммыРАСЧЕТ СТАЛЬНОЙ ПОПЕРЕЧНОЙ РАМЫ
Последовательность расчета:
сбор нагрузок на раму (постоянной, снеговой, ветровой, крановой);
статический расчет рамы;
составление таблицы расчетных усилий в сечениях рамы.
А. Нагрузки на поперечную раму
Постоянные нагрузки
1.а. Погонная нагрузка на ригель рамы
q п =(gферf+ gплитf + gкровf)*В,
где: gфер, gплит, gкров – вес несущих и ограждающих конструкций соответственно фермы, железобетонных плит покрытия и конструкции кровли (см. табл. 1);
f – соответствующие нагрузкам коэффициенты надежности по нагрузке;
В– шаг поперечных рам (в метрах).
.б. Вес стенового ограждения
где: - осредненный нормативный вес 1м2стенового и оконного ограждения, ориентировочно равный 0,6…0,8 кН/м2; - коэффициент надежности по нагрузке;  - высота верхней части стены.
1.в. Вес колонны
Общая нагрузка от веса колонны определяется в соответствии с рекомендациями табл. 1 по формуле:
Gк=f В L/2
и распределяется на вес верней и нижней частей колонны, соответственно
= 0,2Gк и= 0,8 Gк1.г. Вес подкрановых балок
Gп.б = f  В L/2,
где - нормативная распределенная нагрузка от веса подкрановой балки.
Временные нагрузки
2а. Снеговая
При расчете рам снеговую нагрузку принимают равномерно распределенной по длине ригеля. Расчетная погонная снеговая нагрузка на ригель рамы
qсн = f S0  B,
где: f и S0 определяются по СНиП 2.01.07-85, п. 5.7 и табл. 4;
 - принимается по приложению 3, для схемы 1, варианта 1,
СНиП 2.01.07-85.
2.б. Ветровая
Действие ветра на сооружение вызывает давление с наветренной стороны и отсос с противоположной. Величина расчетного ветрового давления (qвi) различна по высоте (рис. 3а) и учитывается введением в расчетные формулы коэффициентаki (см. п. 6.5 СниП 2.01.07-85):
qвi = f w kiсB
где: f – коэффициент надежности по ветровой нагрузке (п. 6.11);wo– нормативное значение ветрового давления (п. 6.4).
Для упрощения статического расчета поперечника ветровую распределенную нагрузку, действующую на колонну от нулевой отметки до оси нижнего пояса ригеля заменяют равномерно распределенной нагрузкой на всю расчетную высоту колонны (рис. 3б). С некоторым приближением эквивалентное распределенное давление равно:
q = (q10 h + 0,5(qh – q10)(h – 10)) / h ,
где:q10иqh ; h – см. рис 3а.
Эквивалентное ветровое давление распределяется на активное и пассивное согласно аэродинамическим коэффициентам С. В соответствии со значениями этих коэффициентов в СНиП 2.01.07-85 получимqa = 0,8 qиqр = 0,6 q
Сосредоточенное ветровое давление в пределах высоты фермы и парапета (hп) вычисляется по формуле
W = 0,5 (qh + qhп) hпи распределяется на активное (Wа) и пассивное (Wп) аналогично погонным ветровым нагрузкам.
2.в. Нагрузка от мостовых кранов
Поперечные рамы воспринимают следующие виды крановых нагрузок (рис. 5):
вертикальную (DmaxиDmin)– от веса кранов с грузом;
поперечную горизонтальную (Т)– от торможения тележки крана с грузом.
Продольная горизонтальная нагрузка от торможения моста крана воспринимается системой вертикальных связей между элементами каркаса и при расчете поперечных рам не учитывается.
При расчете однопролетных рам крановую нагрузку учитывают от одновременного действия двух кранов. Крановую нагрузку от вертикального давления и поперечного торможения на раму определяют в результате невыгоднейшего загружения линий влияния опорного давления (рис. 4).
Расчетные значения крановых нагрузок определяют с учетом коэффициентов: f - надежности по нагрузке (п. 4.8);ψ– сочетаний (п. 4.17 – для двух кранов групп режимов работы 1К – 6К.Отдельно находят как наибольшее вертикальное давление кранов Dmax , так и наименьшееDmin, соответствующее расположению тележки с грузом на основном крюке у противоположной колонны:
Dmax = f ψ F нк max  yi ;Dmin = f ψ F нк min  yi ;где:  yi – сумма ординат линии влияния под колесами ходовой части кранов (рис. ); F нк max и F нк min – соответственно максимальное и минимальное давление колеса крана на крановый рельс,kH(приложение 1) и
F нк min = (9,8 Q + Qк) - F нк max ,
где: Q – грузоподъемность крана, т;Qк – масса крана с тележкой (таблица крановых характеристик),kH;nо – число колес с одной стороны крана.
Расчетное горизонтальная сила Т, передаваемая подкрановыми балками на колонну от силТк, определяется при том же положении мостовых кранов, т.е.Т = f ψ Т нк  yi ,
где : Т нк - нормативное горизонтальное давление колеса крана (от торможения тележки) на крановый рельс
Т нк = 0,05(9,8 Q + GТ),
а GТ - вес тележки крана вkH(таблица крановых характеристик).
16. Стальные арочные покрытия больших пролетов.  Общие сведения о конструкции и расчете
Арочные конструкции покрытий большепролётных зданий оказываются более выгодными по затрате материала, чем балочные и рамные системы. Однако в них возникает значительный распор, который передаётся через фундаменты на грунт или устраивается затяжка для его восприятия (т.е. погашение распора внутри системы). 
Схемы и очертания арок весьма разнообразны: двухшарнирные, трёхшарнирные, бесшарнирные (см. рис. 1).
Наиболее выгодная высота арок: f=1/4 ч 1/6 пролёта L.
 Высота сечения арок:
-сплошностенчатых 1/50 ч 1/80 L,
- решёточных 1/30 ч 1/60 L.

Рисунок 1 - Схемы арок.
Самыми распространёнными являются двухшарнирные арки — они экономичны по расходу материала, просты в изготовлении и монтаже легко деформируются вследствие свободного поворота в шарнирах в них не возникает значительных дополнительх напряжений от То и осадок опор.В трёхшарнирных арках — всё аналогично двухшарнирным, однако ключевой шарнир осложняет конструкцию самих арок и покрытия.Бесшарнирные арки — самые лёгкие, наиболее благоприятно происходит распределение изгибающих моментов. Однако они требуют устройства мощных фундаментов. Их нужно рассчитывать на воздействие То. Сквозные арки конструируют аналогично фермам балочных схем покрытий.Компановка каркаса и покрытия из арочных конструкций аналогична решению каркасов из рамных конструкций.Статический расчёт арочных конструкций выполняют методами строительной механики и по специально разработанным программам на ЭВМ.Раскосы в сквозных арках проектируют как в фермах. Наиболее сложными в конструктивном плане являются опорные и ключевые шарниры (см. рис. 2 и 3)

Рис.2 - Схемы опорных шарниров арок и рам: а — плиточный, б — пятниковый, в — балансирный: 1 — плита, 2 — цапфа, 3 —балансир).
Рис. 3 - Ключевые шарниры и арок: (а —плиточный; б —балансирный; в —листовой; г —болтовой)
Арочные конструкции рассчитывают на вертикальные (собственный вес, снег) и ветровые нагрузки. Температурные воздействия для арок обычно несущественны. Вертикальные нагрузки относят к основным сочетаниям нагрузок, ветровые и температурные воздействия – к дополнительным, величина которых при определении расчетного усилия принимается с коэффициентом сочетания nc = 0,9.
Существенной нагрузкой для арочных конструкций является давление ветра. Ветровая нагрузка для арочных покрытий, не имеющих стен, принимается по упрощенной схеме.
Расчетный коэффициент обтекания имеет положительное значение только в первой четверти дуги арки с наветренной стороны; в средней части дуги коэффициент обтекания имеет max по абсолютной величине отрицательное значение (отсос) и в последней четверти величина его резко падает, сохраняя отрицательное значение.
Ветровое давление считается приложенным нормально к поверхности арочного покрытия. Отрицательные ветровые усилия в высоких арках при малом собственном весе арки могут вызвать отрицательные опорные реакции.
Арки применяются в павильонах, крытых рынках, ангарах, спортивных залах и т.п.
По затрате металла арки оказываются значительно выгоднее, чем балочные и рамные системы. Кроме того арки просты в изготовлении и монтаже.
Расчет арок производится по правилам строительной механики, причем распор пологих двухшарнирных арок при стреле подъема не более 1/4 пролета разрешается определять в предположении наличия шарнира в ключе. Расчет арок после сбора нагрузок выполняется в следующем порядке: 1) геометрический расчет арки; 2) статический расчет; 3) подбор сечений и проверка напряжений; 4) расчет узлов арки. Нагрузки, действующие на арку, могут быть распределенными и сосредоточенными. Постоянную равномерную нагрузку g от массы покрытия и самой арки определяют с учетом шага арок. Она обычно условно считается в запас прочности, равномерно распределенной по длине пролета, для чего ее фактическое значение умножают на отношение длины арки к ее пролету S/l. Массой арки можно задаться предварительно с использованием коэффициентов собственной массы kсв=2…4, и определить его в зависимости от массы покрытия gn, снега p и других нагрузок из выражения

Снеговую нагрузку р определяют по нормам нагрузок и воздействий, условно равномерно распределенную по длине пролета покрытия. При расчете сегментных арок при f/l≥1/8 нужно учитывать также распределение снеговой нагрузки по треугольным эпюрам при значении коэффициента перехода в ключе 0, близ опор – от 1.6 до 2.2 с одной стороны и от 0.8 до 1.1 – с другой. Стрельчатые арки при определении снеговых нагрузок могут условно считаться треугольными. Ветровую нагрузку q определяют по нормам нагрузок и воздействий с учетом шага арок и считают приложенной нормально к поверхности покрытия. При этом для упрощения расчета криволинейные эпюры этой нагрузки можно заменять прямолинейными нормальными к хордам полуарок. При стрельчатых арках они условно могут считаться треугольными, и нагрузка распределится нормально к хордам полуарок. Сосредоточенные, временные нагрузки Р включают в себя массу подвесного оборудования и временных нагрузок на нем. Геометрический расчет арки заключается в определении всех размеров, углов и их тригонометрических функций полуарки, необходимых для дальнейших расчетов. Исходными данными при этом являются пролет l, высота f, а в стрельчатых арках также радиус полуарки r или ее высота f. По этим данным в треугольных арках определяют длину S/2 и угол наклона полуарки α. В сегментных арках определяют радиус
центральный угол φ из условия 

и длину дуги

и находят уравнение дуги в координатах с центром в левой опоре 
В стрельчатых арках определяют угол наклона α и длину l хорды, центральный угол φ и длину S/2 полуарки, координаты центра a и b, угол наклона опорного радиуса φ0 и уравнение дуги левой полуарки . Затем половину пролета арки делят на четное число, но не менее шести равных частей и в этих сечениях определяют координаты х и у, углы наклона касательных α и их тригонометрические функции.17.  Стальные купольные покрытия больших пролетов. Общие сведения о конструкции и расчете.
Купола (рис. 102) представляют собой пологие f/D (от 1/6 до 1/10) и подъемистые (f/D от 1/2 до 1/5) оболочки двоякой кривизны с поверхностью вращения (сфера, коноид, эллипсоид, параболоид) волнистой, складчатой, сетчатой или стрельчатой конструкции на круглом плане.
Купольные конструкции принадлежат к наиболее экономичным пространственным конструкциям, применяемым в покрытиях диаметром до 150 м при толщине оболочки в 1 /600-1/800 диаметра.
Конструкции куполов бывают четырёх видов (см. рис.6): ребристые (а), ребристо-кольцевые (б), сетчатые (в), радиально-балочные (г).

Рисунок 1 - Схемы куполов
Ребристые купола
Конструкции ребристых куполов состоят из отдельных плоских или пространственных рёбер в виде балок, ферм или полуарок, расположенных в радиальном направлении и связанных между собой прогонами.
Верхние пояса рёбер образуют поверхность купола (обычно сферическую). По прогонам устраивают кровлю.
В вершине для перестыковки рёбер устраивают жёсткое кольцо, работающее на сжатие. Рёбра к центральному кольцу могут крепиться шарнирно или иметь жёсткое закрепление. Пара рёбер купола, расположенных в одной диаметральной плоскости и прерванных центральным кольцом, рассматривается как единая, например арочная, конструкция (двухшарнирная, трёхшарнирная или бесшарнирная).
Ребристые купола являются распорными системами. Распор воспринимается стенами или специальным распорным кольцом в форме окружности или многогранника с жёсткими или шарнирными сопряжениями в углах.
Между рёбрами с определённым шагом укладывают кольцевые прогоны, на которые опирается кровельный настил. Погоны, помимо своего основного назначения, обеспечивают общую устойчивость верхнего пояса ребер из плоскости, уменьшая их расчётную длину.
Для обеспечения общей жёсткости купола в плоскости прогонов устраиваются с определённым шагом скатные связи между рёбрами, а также вертикальные связи для развязки внутреннего пояса арки — между вертикальными связями устраивают распорки.
Расчётные нагрузки — собственный вес конструкции, вес оборудования и атмосферные воздействия.
Расчётными элементами купольного покрытия являются: рёбра, опорное и центральное кольцо, прогоны, скатные и вертикальные связи.Если распор купола воспринимают распорным кольцом, то при расчёте арки кольцо может быть заменено условной затяжкой, находящейся в плоскости каждой пары полуарок (образующих плоскую арку).
Ребристо-кольцевые купола
В них погоны с рёбрами составляют одну жёсткую пространственную систему. В этом случае кольцевые прогоны работают не только на изгиб от нагрузки на покрытие, но и от реакций промежуточных рёбер и воспринимают растягивающие или сжимающие кольцевые усилия, возникающие от распоров в месте опирания многопролётных полуарок.Вес рёбер (арок) в таком куполе уменьшается благодаря включению в работу кольцевых прогонов, как промежуточных опорных колец. Кольцевые рёбра в таком куполе работают так же, как и опорное кольцо в ребристом куполе, и при расчёте арок могут быть заменены условными затяжками.При симметричной нагрузке расчет купола можно вести, расчленяя его на плоские арки с затяжками на уровне кольцевых рёбер (прогонов).Сетчатые купола
Если в ребристом или ребристо-кольцевом куполе увеличить связность системы, то можно получить сетчатые купола с шарнирным соединением стержней в узлах.
В сетчатых куполах между рёбрами (арками) и кольцами (кольцевыми прогонами) располагают раскосы, благодаря которым усилия распределяются по поверхности купола. Стержни в этом случае работают в основном только на осевые силы, что уменьшает вес рёбер (арок) и колец.
Стержни сетчатых куполов выполняют из замкнутых профилей (круглого, квадратного или прямоугольного сечения). Узлы соединений стержней как и в структурах или сетчатых оболочках.
Расчёт сетчатых куполов производят на ЭВМ по специально разработанным программам.
Приблизительно их рассчитывают по безмоментной теории оболочек - как сплошную осесимметричную оболочку по формулам из соответствующих расчётно-теоретических справочников.Радиально-балочные купола
Представляют собой ребристые купола, составленные из сегментных полу-ферм, расположенных радиально. В центре сегментные полуфермы присоединяются к жёсткому кольцу (решётчатому или сплошностенчатому с диафрагмами жёсткости).
Типичная форма купола - это поверхность двоякой кривизны с вертикальной осью вращения, которая может быть задана уравнением вида:

Расчет купола
Методика расчета купола зависит от его типа и вида нагрузки — осесимметричной и неосесимметричной. К первой относится собственный вес конструкции, сплошной снеговой покров и симметрично подвешенное оборудование. Ко второй — ветровая нагрузка, односторонняя снеговая нагрузка и несимметрично расположенное оборудование. При отношении f/D ≤ 1/4 ветровой напор создает на поверхности купола отсос, который разгружает купол и может не учитываться. Однако легкие, например, пластмассовые купола необходимо проверять расчетом на действие отсоса ветра.
На стадии определения конструктивного решения тонкостенного купола применяют приближенные способы расчета. Они дают вполне достоверные результаты, зачастую с точностью выше реальных допусков, практикуемых при подборе сечений элементов купола. В рабочем проектировании пользуются точными методами, ориентированными на реализацию вычислений с помощью компьютера.
Тонкостенные купола можно рассчитывать по безмоментной теории, условиями применения которой являются: плавность изменения толщины оболочки, радиуса кривизны ее меридиана, интенсивности нагрузки; свободное перемещение оболочки в радиальном и кольцевом направлениях. Безмоментное опирание купола по внешнему контуру представляется как непрерывное, шарнирно-подвижное, образуемое стерженьками-опорами, направленными по касательным к меридиональным сечениям оболочки. В этом случае оболочка будет статически определима (рис, 9.3), При нарушении названных условий напряженное состояние купола должно определяться с учетом действия изгибающих моментов в краевых зонах.

Рисунок 2 –Схема купола с шарнорно-подвижным опиранием по контуру: а-общий вид, б- единичный элемент купола с действующим на него внутренними усилиями, в – часть купола, отделенная полностью, параллельной основанию: 1-ось вращения, 2 – шарнирно-подвижные опоры по периметру, 3 – меридиональное сечение, 4 – кольцевое сечение, 5- единичный элемент.
В безмоментном напряженном состоянии оболочка купола работает как тонкая мембрана и поэтому подвержена только нормальным усилиям, действующим в ее срединной поверхности. На практике это положение можно принять в отношении всего купола кроме приопорной зоны, где появляются изгибающие моменты.
Рассмотрим купол произвольного очертания, двоякая кривизна которого в каждой точке определяется двумя радиусами кривизны R1 и R2. В общем случае элемент оболочки купола, ограниченный двумя меридиональными и двумя кольцевыми сечениями, находится под воздействием нормальных усилий — меридионального N1 и кольцевого N2, а также касательного усилия S, отнесенных к единице длины сечения (см. рис. 9.3 а). При загружении купола осесимметричной нагрузкой (собственный вес, снег на всей поверхности) усилие S = 0, а усилия N1 и N2 определяют из условий статики как функции только угловой координаты φ (широты).
Напряженное состояние купола при осесимметричной нагрузке характеризуется следующим уравнением равновесия:

где qφ — нормальная к поверхности купола составляющая внешней нагрузки q (на 1 м2 поверхности купола).
Для определения меридионального усилия N1 кольцевым горизонтальным сечением отсекается верхняя часть купола и рассматривается ее равновесие (см. рис. 2 в). На отсеченный сегмент действует сжимающая сила Qφ, которая представляет собой сумму всех нагрузок, приложенных выше рассматриваемого сечения. Исходя из условия ΣZ=0, она должна уравновешиваться меридиональными усилиями N1 по периметру кольцевого сечения радиуса r:

где (φ—текущая угловая координата (отсчитывается от оси вращения); r = R2sinφ.Следовательно,
Кольцевое усилие N2 находят из уравнения :
Распор купола определяется как горизонтальная проекция меридионального усилия N1

Распор в уровне опорного кольца (φ = φ0):

где N1,0 — меридиональное усилие в уровне опорного кольца; φ0 — половина центрального угла дуги оболочки в меридиональном направлении; r0 — радиус опорного кольца; Qφ,0— нагрузка, действующая на купол.
Распор Fh действует на опорное кольцо в радиальном направлении, поэтому растягивающее усилие в опорном кольце:

Сжимающее усилие в верхнем кольце от нагрузки q при соответствующей текущей координате φ определяется аналогично.
Под действием вертикальной нагрузки купол сжат, а вблизи опорного кольца растянут. Существует нейтральное кольцевое сечение («параллель»), вдоль которой усилия N2 равны нулю. Координата этой параллели определяется формой купола и видом нагрузки. Ее можно вычислить, приравняв к нулю выражение в скобках в формуле.
Дальнейшее рассмотрение оболочки вращения под действием конкретных нагрузок проведем на примере сферического купола. Геометрически он наиболее прост, а основные выводы качественного порядка, сделанные для сферы, могут быть распространены на купола других форм.
Для сферы R1 = R2 = R формулы и приобретают вид:

Формулы расчета сферических куполов на действие нагрузок от собственного веса g(кН/м2 поверхности купола) и снега s (кН/м2 перекрываемой куполом площади).
Распределение меридиональных и кольцевых усилий в полусферическом куполе от вертикальных нагрузок.
Угол φ, при котором кольцевые усилия в куполе меняют знак, превращаясь из сжимающих в растягивающие, равен ~ 52° при действии собственного веса и 45° — при полной снеговой нагрузке. Для того, чтобы избежать растягивающих кольцевых усилий, стрела подъема купола f не должна превышать 1/52). Более подъемистые купола нуждаются в специальных кольцевых затяжках в нижних приконтурных зонах. Аналогичные вычисления усилий и критических величин углов могут быть выполнены для куполов вращения других очертаний.
При действии горизонтальных сил (ветер, сейсмика) и несимметричных нагрузок (одностороннее расположение снега) напряженное состояние купола характеризуется, кроме нормальных усилий N1 и N2, также касательными (сдвигающими) усилиями S. Расчет существенно усложняется и его выполняют по специальной методике.
Усилия N1 и N2 в гладкой оболочке купола, как правило, невелики, поэтому ее толщина определяется, главным образом, конструктивными или технологическими соображениями.
Особое внимание уделяют устойчивости купола. Формулы ее проверки, характерные для каждого материала, даются при рассмотрении особенностей куполов из различных материалов.
Волнистые и складчатые купола составляют особую группу. С архитектурной точки зрения они весьма эффектны, обладают богатой пластикой и немалыми конструктивными достоинствами, связанными с жесткостью формы. Будучи сплошностенчатыми (гладкими) или решетчатыми, они могут быть отнесены, соответственно, к тонкостенным или ребристым куполам. В железобетоне выполняют волнистые и складчатые купола, а из клееной древесины — чаще складчатые.
18.  Стальные  пространственно-стержневые  плоские  системы покрытий.  Разновидности конструктивных решений, основы работы и расчета
Структурные плиты могут быть образованы путем пересечения плоских ферм в двух, трех и более направлениях с разбиением плиты на квадратные, треугольные и шестиугольные ячейки (рис. .1). В показанных на рисунке схемах верхние и нижние пояса плоских ферм расположены в одинаковых вертикальных плоскостях. Если нижние пояса ферм, например, в схеме рис.1, а, мы сместим на полшага относительно нижних поясов и разместим раскосы в наклонных плоскостях, то будет получена структура, показанная на рис. 2. Аналогично могут быть построены системы иных конфигураций (рис. 3). В таких системах всегда можно выделить многократно повторяющийся пространственный элемент "кристалл", например, в виде параллелепипеда, пирамиды и т.д. (рис. 4)

Рисунок 1 - Схемы перекрытий из вертикальных перекрестных ферм: а, б - при расположении ферм в двух направлениях; в, г - то же, в трех направлениях
Одним из видов кристаллических структур является "стержнелистовой" вариант, с включением обшивок в работу всей системы. Листовая часть представляет собою складчатую поверхность, образующую пирамиды или тетраэдры, и одновременно служит несущей конструкцией и ограждением. Применяют и комбинированные с железобетонными плитами варианты металлических перекрестно-стержневых систем, например, в плитах большепролетных покрытий. На рис. 5 показаны варианты структурных конструкций из пирамид, которые могут быть образованы только из стержневых элементов или из пластинок в сочетании со стержнями.

Рисунок 2. Структурная плита: 1 - верхние пояса; 2 - нижние пояса; 3 - наклонные раскосы
Пространственные системы регулярной структуры строят на принципе многосвязности. Это определяет целый ряд их преимуществ по сравнению с традиционными конструкциями, скомпонованными из стропильных и подстропильных ферм, прогонов.
Материал в такой системе распределяется сравнительно равномерно. При действии на систему подвижных и неравномерно приложенных нагрузок в работу включается большое число стержней, что позволяет создавать достаточно легкие конструкции несущих покрытий с многоопорным подвесным транспортом и другие эффективные системы. Наличие частой сетки узлов в уровне поясов структурной плиты упрощает применение верхнеподвесного транспорта.

Рисунок 3 - Схемы конструкций регулярной структуры
Полагают, что среди преимуществ этого класса конструкций можно назвать и повышенную надежность, определяемую той же многосвязностью (многократной статической неопределимостью). Резерв живучести многосвязных систем заключается в возможности перераспределения усилий после выхода из строя или после перехода в пластическую стадию деформирования отдельных перегруженных элементов.

Рисунок 4 - Кристаллы структур
Архитекторов они привлекают своеобразием и многообразием рисунков кристаллической структуры (см. рис. 3), возможностью варьирования формы поверхностей в плане и в разрезах зданий (рис. 6) или, иными словами, архитектурной выразительностью.
Эти конструкции благодаря многосвязности и пространственной работе более жестки, чем плоские, что позволяет проектировать покрытия с несущими структурными плитами примерно вдвое меньшей высоты, чем традиционные (1/15...1/25 от пролета).
Регулярность структур определяет повторяемость размеров и, как следствие этого, максимальную унификацию стержней и узлов, что делает возможной организацию поточного высокомеханизированного производства, позволяющего существенно снизить удельные трудозатраты на изготовление.
Удобство транспортирования структур, состоящих из отдельных стержней и узловых элементов, поддающихся упаковке в ящики или компактные пакеты. При компоновке конструкций из укрупненных элементов типа пирамид возможно использование "принципа матрешки" для их транспортирования, т.е. вкладывать их одна в другую с образованием также довольно компактного пакета из пирамид.

Рисунок 5 - Схемы структурных плит из решетчатых пирамид: а, б - с квадратным основанием (пентаэдров или "полуоктаэдров"); в - с треугольным основанием (тетраэдров); г - с шестиугольным основанием (гептаэдров)
Рисунок 6 - Структурное покрытие в виде ступенчатой усеченной пирамиды (торец условно не показан)
Возможность монтажа пространственно жестких конструкций крупными блоками, конвейерным способом, без всякого усиления для устойчивости.
Недостатки структурных систем вытекают из их основных особенностей, связанных с наличием большого числа стержней и узлов. Если в живой природе не возникает проблем в конструировании узлов на клеточном уровне, то для механических систем с большим числом узлов не просто найти рациональные решения.
Сложность узлов часто определяет недостатки рассматриваемого типа конструкций. В узлах структур сходятся шесть, а иногда и более стержней. От конструкции узла, от того, сколь высокую точность при изготовлении она предполагает, зависит и сложность, а значит и трудоемкость изготовления.
Именно конструкция узлов определяет, главным образом, и трудоемкость сборки конструкций на монтажной площадке. Трудоемкость сборки конструкций, приведенная к единице площади покрытия, например, для различных конструктивных систем, может отличаться более чем в 10 раз!
В некоторых структурных плитах при замыкании узлов, особенно в узлах с использованием монтажной сварки, развиваются значительные начальные напряжения, снижающие несущую способность стержней и системы в целом.
Наличие большого числа стержней во многих случаях ведет к неполному использованию несущей способности элементов, сечения многих стержней подбирают по предельной гибкости. Это приводит к тому, что структурные плиты оказываются во многих случаях тяжелее, чем системы, составленные из плоских конструкций. Пространственно-стержневые системы регулярной структуры предполагают использование относительно тонкостенных профилей, например, круглых или прямоугольных труб.
Некоторые из указанных недостатков существенно смягчаются большой повторяемостью стержней и узлов, что дает конструктору найти удачную конструкцию, обеспечивающую достаточно высокую технологичность как при изготовлении, так и при сборке структур.
19.Основы  расчета  стальных  листовых  конструкций.  Силосы  и  бункера:  классификация, конструктивные решения и особенности работы
Листовые конструкции представляют собой различные сооружения типа оболочек, несущей основой которых являются плоские или изогнутые металлические листы (пластинки и оболочки). Они применяются для хранения, перегрузки, транспортировки, технологической переработки жидкостей, газов и сыпучих материалов. Листовые конструкции широко применяются во всех областях промышленности и составляют по массе около 20 % всех применяемых М/К.
Листовые конструкции классифицируются по назначению:
резервуары для хранения жидкостей (нефти, нефтепродуктов, кислот, сжиженных газов и пр.);
газгольдеры для хранения и выравнивания состава газов;
бункеры и силосы для хранения и перегрузки сыпучих материалов (руды, угля, цемента, песка и т.п.);
листовые конструкции доменных цехов (кожухи доменных печей, воздухонагреватели, пылеулавливатели и др.);
листовые конструкции специальных технологических установок (химических и нефтеперерабатывающих заводов);
трубопроводы большого диаметра для транспортировки воды и газов.
Элементами, образующими листовую конструкцию, являются плоские металлические листы – пластинки или изогнутые листы – оболочки. Работа и расчет пластинок и оболочек зависят от их геометрических параметров.
Работа и расчет плоских пластинок зависят от отношения , где l – пролет пластинки или наименьший размер в плане при опирании пластинки по контуру, t – ее толщина.
Пластинки малого прогиба имеют отношение . Такие пластинки работают только на изгиб. Напряжениями от распора пренебрегают, если 
Пластинки большого прогиба имеют отношение . Такие пластинки работают на совместное действие изгиба и растяжения. У них .
Гибкие пластинки (мембраны) имеют отношение и работают как гибкие нити только на растяжение от распора.
Поверхность оболочек образуется изгибом листов по заданному радиусу кривизны. Оболочки, изогнутые в одном направлении с постоянным радиусом кривизны, называются цилиндрическими; если этот радиус изменяется вдоль оси вращения по линейному закону, получается коническая оболочка. Если оболочка образована изгибом листа во взаимно перпендикулярных направлениях, получается сферическая оболочка.
Работа и расчет оболочек зависят от отношения ее радиуса кривизны к толщине .
Тонкие оболочки листовых конструкций имеют отношение .
Равновесие элемента тонкой оболочки при определенных условиях соблюдается при наличии только осевых сил без изгиба (безмоментная теория расчета).
К таким условиям относятся:
1. сплошные осесимметричные нагрузки без резких изменений интенсивности;
2. участок оболочки должен быть сплошным, достаточно удаленным от так называемых краевых линий, препятствующих или искажающих плавность деформаций оболочки.
акие линии образуются ребрами жесткости, днищами, резкими изменениями 1158240259080толщины, острыми перегибами.
Деформация оболочки в этих местах стеснена, на некотором участке происходит местный изгиб, которым нельзя пренебречь.
Возникновение изгибающих моментов у краевых линий называется краевым эффектом.
Напряжение для некоторых оболочек простейших форм:
Шаровая оболочка ,
где P – внутреннее давление;
r –радиус сферы; t – толщина оболочки;
2. Цилиндрическая оболочка ; 
Оболочки, как правило, испытывают двухосное напряженное состояние. Проверка их прочности производится по приведенным напряжениям


Проверка оболочек на устойчивость заключается в том, чтобы расчетные напряжения в оболочке  от нагрузки не превышали критических  которые зависят от вида оболочки, отношения , напряженного состояния и материала.
Приемные бункеры-накопители и силосы
Приемные бункеры-накопители и силосы служат для хранения сыпучих материалов, как то песок, цемент, угль, известь, гравий, кокс и другие подобные материалы, а также для хранения сыпучих сельскохозяйственных продуктов, таких как зерно.
При выборе параметров сооружения, играет роль совокупность следующих  факторов:
его компоновка;
необходимый запас материалов;
применимый метод загрузки и выгрузки;
тип несущей конструкции;
физические характеристики материалов (плотность, угол откоса, размеры);
экономические требования.
Бункеры-накопители
Приемные бункера используются в сельском хозяйстве, угольной промышленности, горнорудной промышленности, в производстве материалов для строительства, в химической промышленности.
Бункера часто изготавливаются из железобетона. Конструкция может быть монолитной или сборной.
Бункер-накопитель загружается сверху, а разгружается через специальные воронки, находящиеся в нижней его части.  
Наиболее удобная форма для бункера квадратная или прямоугольная. Внутреннее устройство может быть одиночным или многоячеистым. Второй вид устройства, как правило, являет собой  ячейки  размером 6-8 м, высота которых колеблется от 9 до 12м.
Внутри бункер может быть облицован стальными листами, деревянным настилом или решеткой. Внутренняя облицовка призвана защитить конструкцию от повреждений, возможных при загрузке емкости материалами, такими как руда, уголь, щебень, песок и т.д.  
Дно бункера оборудовано особым образом. С виду это воронка с небольшим уклоном,  превышающим угол нормального откоса сохраняемого материала на 5-10%.
Бункер сборной конструкции составлен из вертикальных стенок, колонн и составных наклоненных треугольных плит. Элементы соединяются между собой методом сварки соединительных накладок с закладными частями.  Наклонные и вертикальные стенки сооружения рассчитаны на давление сыпучего материала и легко переносят постоянные и временные нагрузки.
Основные положения расчета бункера
Расчет бункера включает в себя определенное давление сыпучего на его стенки, а также моментов и усилий действующих в плоскости элементов.
На стенки сыпучего возникает 2 вида давления: вертикальное и горизонтальное.
qн=γ * h; qP=qH *γf* kdвертикальноеpH=qн * tg(45® - ) ; pp=pH*γf* kdгоризонтальноеkd=1…1,4
γf=1,3
Зная давление сыпучего на две взаимно перпендикулярные площадки, можно определить давление в любой точке поверхности расположенной под углом α к горизонту
pn=q*cos2α + p*sin2α
pt=q*cosα*sin α-p*sin α*cosα=cosα*sin α(q - p)
Для построения эпюры давления сыпучего на вертикальную стенку достаточно определить давление в любой одной точке.
Для построения эпюры давления на наклонные стенки нужно определить давление в 2х точках.
К расчету значительного давления сыпучего нужно добавить значение соответствующего веса конструкции.
К соответствующим составляющим нормального и касательного давления на накл.стенки нужно прибавить соотв.величины от собственного веса стенок
qnсв= γf*qсв*cos α
qtсв= γf*qсв*sin α
γf=1,1
Статический расчет бункера затруднителен даже в упругой постановке
Инженерные методики расчета бункера должны быть увязаны с возможными схемами их разрушения.
В ж/б бункерах 4 схемы их разрушения:
От нормального давления сыпучего изнутри (разруш.стенок бункера от изгибающ.момента действующего из плоскости элемента)
рисунок
От разрыва стенок и воронок в горизонтальном направлении
рисунок
Отрыв воронки
рисунок
Разрушение стенок от изгибающего момента действующего в плоскости
Силосы
Силосы – неотъемлемая часть многих промышленных объектов. На больших производствах отдельные силосы объединяются в силосные корпуса. Сооружения подходят как для хранения строительных материалов, таких как уголь и цемент, так и для хранения сельскохозяйственного сектора (элеваторы для зерна).
В отличие от бункера силос имеют большую высоту. Если быть точным, отношение высоты этой конструкции к максимальному поперечному сечению составляет более 1,5.
Группа силосов может использоваться в качестве складов для хранения готовой продукции,  полуфабрикатов или сырья.
Конструкция силоса такова: фундамент, колонны подсилосного этажа, днище, стены, надсилосне перекрытие и галерея оборудования для загрузки.
Разгрузка силосов происходит самотеком через отверстие в днище, а загрузки может производиться механическим или пневматическим способом. Над силосным корпусом оборудуют цех для загрузочных машин, под силосным корпусом размещается  помещение для разгрузки сырья, материалов или готовой продукции в транспортные средства.  
Форма силосов определяется особенностями технологического процесса, загрузочно-погрузочными условиями и технико-экономическими соображениями.  Форма сооружения может быть круглой или квадратной. Чаще используются силосы с круглым сечением, их стены отлично справляются с работой на центральное растяжение. Диаметр стандартного силоса круглой формы обычно находится в пределах от 6-ти до 24 метров, высота конструкции достигает 30 метров. Стандартная толщина станок силоса меньше 150 миллиметров.
Наиболее удобны квадратные силосы, размер которых 3-4 метра.  
борные силосы.
Преимущественно цилиндрические и призматические (с 4 гранями). Состоят из плоских или ребристых элементов. Могут состоять из кольцевых элементов(до 3м), либо сегментных элементов(6-12м). толщина кольцевых элементов 100-120мм. Размеры по высоте кратны 600мм. Бетон не ниже В25. Все эти эл-ты стыкуются между собой сваркой закладных деталей. При необходимости преднапряжение стенок, напрягаемую арматуру располагают в специальные оставленные при бетонировании пазы и покрывают слоем торкрет-бетона.
Существует 2 варианта преднапряжения.:
Размещение напрягаемой арматуры с внешней стороны при возведении силоса. Для стержневой арматуры используют механический или электротермический способы натяжения; проволоку и канаты навивают специальными навивочными машинами.
На заводе изготавливают преднапряженные элементы. А стыкование осуществляется путем сварки закладных деталей.
Для силосов d=12м разрабатывают специальные конструкции, состоящие из 24 плит-оболочек и преднапряженные путем установки арматуры с внешней стороны в специальные пазы.
Основные принципы проектирования элементов силосов: определение нагрузок и усилий в элементах силосов.
Расчет сил включают в себя расчет стенок, колон, фундаментов, перекрытий, конструкций покрытий надсилосного этажа и т.тд.
При расчете стенок необходимо учитывать их собственный вес, давление и трение сыпучих веществ, вес конструкции покрытия и загрузочных устройств, а также ветровые и снеговые нагрузки. Также в расчете учитываются деформации усадки и ползучести бетона.

γ – плотность сыпучего;
ρ – гидравлический радиус, отношение площади поперечного сечения силоса к периметру;
k – боковой коэффициент;

µ – коэффициент трения сыпучего о стенки;
Горизонтальная составляющая давления:

Также в стенках силоса о трения появляется дополнительная вертикальная составляющая τ:

Нормальное давление на наклонные поверхности силоса определяются так. же как и в бункерах.

Кольцевые растягивающие усилия в цилиндрических стенках силоса:

Стенки силосов должны быть проверены на трещиностойкость. - коэф.надежности по нагрузке
Стенки прямоугольных силосов должны быть рассчитаны на прогиб:
- предельно допустимый прогиб.
20. Основы расчета стальных листовых конструкций. Газгольдеры: классификация, конструктивные решения и особенности работы.
Листовые конструкции представляют собой различные сооружения типа оболочек, несущей основой которых являются плоские или изогнутые металлические листы (пластинки и оболочки). Они применяются для хранения, перегрузки, транспортировки, технологической переработки жидкостей, газов и сыпучих материалов. Листовые конструкции широко применяются во всех областях промышленности и составляют по массе около 20 % всех применяемых М/К.
Листовые конструкции классифицируются по назначению:
резервуары для хранения жидкостей (нефти, нефтепродуктов, кислот, сжиженных газов и пр.);
газгольдеры для хранения и выравнивания состава газов;
бункеры и силосы для хранения и перегрузки сыпучих материалов (руды, угля, цемента, песка и т.п.);
листовые конструкции доменных цехов (кожухи доменных печей, воздухонагреватели, пылеулавливатели и др.);
листовые конструкции специальных технологических установок (химических и нефтеперерабатывающих заводов);
трубопроводы большого диаметра для транспортировки воды и газов.
Элементами, образующими листовую конструкцию, являются плоские металлические листы – пластинки или изогнутые листы – оболочки. Работа и расчет пластинок и оболочек зависят от их геометрических параметров.
Работа и расчет плоских пластинок зависят от отношения , где l – пролет пластинки или наименьший размер в плане при опирании пластинки по контуру, t – ее толщина.
Пластинки малого прогиба имеют отношение . Такие пластинки работают только на изгиб. Напряжениями от распора пренебрегают, если 
Пластинки большого прогиба имеют отношение . Такие пластинки работают на совместное действие изгиба и растяжения. У них .
Гибкие пластинки (мембраны) имеют отношение и работают как гибкие нити только на растяжение от распора.
Поверхность оболочек образуется изгибом листов по заданному радиусу кривизны. Оболочки, изогнутые в одном направлении с постоянным радиусом кривизны, называются цилиндрическими; если этот радиус изменяется вдоль оси вращения по линейному закону, получается коническая оболочка. Если оболочка образована изгибом листа во взаимно перпендикулярных направлениях, получается сферическая оболочка.
Работа и расчет оболочек зависят от отношения ее радиуса кривизны к толщине .
Тонкие оболочки листовых конструкций имеют отношение .
Равновесие элемента тонкой оболочки при определенных условиях соблюдается при наличии только осевых сил без изгиба (безмоментная теория расчета).
К таким условиям относятся:
1. сплошные осесимметричные нагрузки без резких изменений интенсивности;
2. участок оболочки должен быть сплошным, достаточно удаленным от так называемых краевых линий, препятствующих или искажающих плавность деформаций оболочки.
акие линии образуются ребрами жесткости, днищами, резкими изменениями 1158240259080толщины, острыми перегибами.
Деформация оболочки в этих местах стеснена, на некотором участке происходит местный изгиб, которым нельзя пренебречь.
Возникновение изгибающих моментов у краевых линий называется краевым эффектом.
Напряжение для некоторых оболочек простейших форм:
Шаровая оболочка ,
где P – внутреннее давление;
r –радиус сферы; t – толщина оболочки;
2. Цилиндрическая оболочка ; 
Оболочки, как правило, испытывают двухосное напряженное состояние. Проверка их прочности производится по приведенным напряжениям


Проверка оболочек на устойчивость заключается в том, чтобы расчетные напряжения в оболочке  от нагрузки не превышали критических  которые зависят от вида оболочки, отношения , напряженного состояния и материала.
Приемные бункеры-накопители и силосы
Приемные бункеры-накопители и силосы служат для хранения сыпучих материалов, как то песок, цемент, угль, известь, гравий, кокс и другие подобные материалы, а также для хранения сыпучих сельскохозяйственных продуктов, таких как зерно.
При выборе параметров сооружения, играет роль совокупность следующих  факторов:
его компоновка;
необходимый запас материалов;
применимый метод загрузки и выгрузки;
тип несущей конструкции;
физические характеристики материалов (плотность, угол откоса, размеры);
экономические требования.
Газгольдеры являются инженерными сооружениями, которые предназначены для хранения газа различного назначения и происхождения. Они снабжены специальными устройствами необходимыми для регулирования основных параметров хранимых материалов. В зависимости от своего назначения газгольдеры могут выполнять как одну, так и несколько функций. Основными из которых являются:
- Кратковременное или длительное хранение газа;
- Выравнивание давления газа в замкнутой распределительной системе;
- Аккумулирование энергии давления хранящегося в нём газа;
- Измерение количества добываемого или вырабатываемого газа;
- Надёжное распределение газа при наполнении цистерн, баллонов и прочего схожего оборудования;
- Смешивание, а также перемешивание газа различных концентраций или составов;
- Оповещение о стабильности или нарушении установленного технологического процесса.
По степени применяемого давления все газгольдеры можно разделить на два класса:
1) Класс I - газгольдеры низкого давления;
2) Класс II - газгольдеры высокого давления.
Давление в газгольдерах I класса назначается исходя из специфических особенностей выполняемых технологических процессов и зачастую не превышает 500 мм вод. ст. А газгольдеры II класса работают при давлении газа до 30 атм.
Оба этих класса также в свою очередь разделяются на типы и подклассы. При этом имеется весьма существенная разница между газгольдерами постоянного объёма и постоянного давления.
В газгольдерах постоянного объема геометрический объем остается стабильным, а газовое давление может быть изменено в заранее установленных пределах, определяемых исходя из параметров технологического процесса, а также надежности и прочности сооружения.
Газгольдеры низкого давления, в большинстве своём, являются газгольдерами постоянного давления и по своим конструктивным и технологическим характеристиками могут быть разделены на две группы:
1) Группа I - мокрые газгольдеры;
2) Группа II - сухие газгольдеры.
Мокрые газгольдеры подразделяются на два типа:
1) Тип I - с вертикальными направляющими;
2) Тип II - с винтовыми направляющими.
Оба этих типа мокрых газгольдеров являются газгольдерами переменного объёма и низкого давления. Основное их различие заключается в системах выравнивания различных элементов и в системах конструкций.
Сухие газгольдеры также разделяются на два типа:
1) Тип I – поршневой;
2) Тип II - с мембраной.
Оба этих типа сухих газгольдеров относятся к газгольдерам постоянного давления газа и переменного объема
Газгольдеры постоянного объёма наиболее часто эксплуатируются при высоком или повышенном давлении хранящихся газов и различаются лишь своей геометрической формой. В подобных газгольдерах давление газа бывает как возрастающим, так и переменным.
По своей геометрической форме газгольдеры постоянного объема разделяются на два типа:
1) Тип I - цилиндрические газгольдеры со сферическими днищами, которые могут располагаться в вертикальном и горизонтальном положениях.
2) Тип II - сферические газгольдеры.
Особенности функционирования газгольдера
В специальную ёмкость под определённым давлением закачивается сжиженный газ, после чего подаётся по системе для распространения по периметру помещения к котлу отопления. Принцип функционирования подобен применению газового баллона, либо магистрали. Предпочтительно проводить монтаж газгольдера при возведении жилого сооружения или в процессе обустройства коммуникаций. Оборудование может подключаться к автономному газоснабжению. Для приобретения оборудования подходящего размера важно знать объём газа, расходуемого на протяжении двенадцати месяцев.
Оптимальной при подземном варианте установки газгольдера считается глубина от 60 см и больше от поверхности земли. Перед размещением резервуара на дно ямы укладывают бетонную плиту, выполняющую функции якоря и основания. После этого ёмкость крепят к плите, используя для этого специальные стальные тросы. После этого начинают прокладывать подземный газопровод к дому. Еще до монтажа газовых труб желательно разместить под ними сборник конденсата, что поможет решить проблему удаления пара в тех случаях, когда газ начнет слишком сильно испаряться. Когда проверочные работы будут завершены, поверх котлована насыпают слой песка.
21.Стальные  резервуары:  классификация,  конструктивные  решения,  особенности  работы  и расчета.
Классификация резервуаров
Резервуары являются одним из основных сооружений нефтебаз и предназначены для хранения нефтепродуктов и производства некоторых технологических операций.По материалу, из которого сооружены резервуары, различают:
-металлические,
-железобетонные,
-каменные,
-земляные.
Большое развитие получили резервуары, сооружаемые в горных выработках. Основным строительным материалом для выработок является сама горная порода.
По отношению к уровню землирезервуары могут быть:
-подземными, когда наивысший уровень нефтепродукта в резервуаре находится не менее чем на 0,2 м ниже наинизшей планировочной отметки прилегающей площадки (к подземным относятся также резервуары, имеющие обсыпку не менее чем на 0,2 м выше допускаемого наивысшего уровня нефтепродукта в резервуаре);
-наземными, когда днище резервуара находится на одном уровне или выше наинизшей планировочной отметки прилегающей площадки (в пределах 3 м от стенки резервуара).
Для полной сохранности качества и количества нефтепродуктов, разработано большое количество различных конструкций резервуаров. Выбор типа резервуара в каждом конкретном случае должен быть обоснован специальным технико-экономическим расчётом.
Ёмкости для хранения нефтепродуктов могут быть подразделены по следующим признакам:
по материалу, из которого они изготовлены:
-металлические,
-железобетонные,
каменные,
-земляные,
-синтетические,
-ледогрунтовые
-горные в различных горных породах;
-по величине избыточного давления:
-резервуары низкого давления, в которых избыточное давление мало отличается от атмосферного (Рн < 0,002 МПа)
-резервуары высокого давления (Рн > 0,002 МПа);
-по технологическим операциям:
-резервуары для хранения маловязких нефтей и нефтепродуктов;
-резервуары для хранения высоковязких нефтей и нефтепродуктов;
-резервуары-отстойники;
-резервуары специальных конструкций для хранения нефтей и нефтепродуктов с высоким давлением насыщенных паров;
по конструкции:
-стальные резервуары вертикальные цилиндрические с коническими и сферическими крышами, горизонтальные цилиндрические с плоскими и пространственными днищами, каплевидные, шаровые;
-железобетонные резервуары (вертикальные и горизонтальные цилиндрические, прямоугольные и траншейные) (рис. 7-1…7-8).
Нефтехранилища, сооружаемые в пластах каменной соли путем размыва, в пластичных породах методом уплотнения взрывом, а так же шахтные и ледогрунтовые хранилища относятся к подземному хранению нефтепродуктов в горных выработках.
В зависимости от назначения резервуары разделяются на две группы:
К первой группе относятся резервуары, предназначенные для хранения жидкостей при избыточном давлении до 0,07 МПа включительно и температуре до 120°С. Такие резервуары проектируются и изготовляются согласно «Нормам и технологическим условиям проектирования и изготовления стальных конструкций и промышленных сооружений».
Ко второй группе относятся резервуары, работающие под давлением более 0,07 МПа. Они проектируются и изготовляются по специальным технологическим условиям. Эксплуатация этих конструкций находится под особым наблюдением специальной Государственной инспекции.
Цилиндрические резервуары являются наиболее распространенными для хранения нефтепродуктов, относительно просты в изготовлении и наиболее экономичны по стоимости.
Рисунок 1- Горизонтальный цилиндрический резервуар: / — корпус; 2 — днище; 3 — кольца жесткости; 4 — опорные диафрагмы; 5 — опорные стойки; 6— лестница; 7—люк-лаз  ликом или при больших объемах в виде двух отправочных элементов с одним монтажным стыком.
Различают резервуары вертикальные стальные (РВС) низкого и высокого давления, с плавающими крышами (РВСПК) и понтонами (РВСП); горизонтальные цилиндрические резервуары высокого и низкого давления, наземные и подземные.В промышленности применяется большое число стальных резервуаров различных типов и объемов без давления (резервуары с плавающей крышей и понтоном) и с давлением до 0,002 МПа (резервуары со стационарной крышей).
В последние годы ЦНИИ Проектстальконструкцией разработаны проекты опытных резервуаров объемами 50 и 100 тыс. м3и проектируются еще более крупные.
Имеются стальные резервуары траншейного типа объемом до 10 тыс. м3рассчитанные на избыточное давление 0,007 МПа.
Наибольшее распространение в нашей стране получили наземные вертикальные цилиндрические резервуары, которые а зависимости от их назначения или условий эксплуатации можно разделить на следующие типы:
Типовые сварные вертикальные цилиндрические резервуарыобъемом от 20 тыс. м3до 100м3 (рис 2):
со стационарной крышей, рассчитанные на избыточное давление 0,002 МПа, с высотой стенки не более 12 м;
с понтоном и плавающей крышей, без давления;
резервуары, предназначенные для эксплуатации в северных районах (температура до 65 °С).

Рисунок 2 – Вертикальный цилиндрический резервуар
Резервуары с оптимальными параметрамиобъемом от 10 до 50 тыс.м3, с высотой стенки до 18 м. На заводах резервуарных металлоконструкций при изготовлении рулонов стенки кромки листов строгаются для получения листов одинаковых размеров, например 1490x5990 мм. Таким образом, высота стенки резервуаров получается кратной 1490мм, а длина окружности (стенки) — кратной 5990 мм.
Резервуары повышенного давления широкого распространения не получили. В России сооружено всего несколько каплевидных резервуаров объемом 2000 м3, рассчитанных на избыточное давление 0,03 МПа. Значительно чаще применяют резервуары ДИСИ (Днепропетровского инженерно-строительного института) объемом 400, 700, 1000 и 2000 м3. В общей сложности таких резервуаров, рассчитанных на избыточное давление от 0,01 МПа до 0,013 МПа, построено около 200.
Основные геометрические размеры вертикальных цилиндрических и каплевидных резервуаров повышенного давления приведены в табл. 7.1. Резервуары повышенного давления наиболее экономичны для длительного хранения нефтепродуктов при небольшой их оборачиваемости (не более 10÷12 раз в год).
К числу резервуаров повышенного давления относятся изотермические резервуары для хранения сжиженных газов. Обычно они представляют собой двухслойную конструкцию (резервуар в резервуаре). Для обеспечения постоянной, отрицательной температуры пространство между наружным и внутренним кольцом заполняют теплоизоляционным материалом.
Горизонтальные надземные и подземные резервуары, рассчитанные на избыточное давление 0,07 МПа - при конических днищах и 0,04 МПа -при плоских днищах, также являются резервуарами повышенного давления.
В отличие от резервуаров с понтоном или плавающей крышей в вертикальных цилиндрических резервуарах повышенного давления не требуется никаких движущихся конструкций и уплотняющих устройств, в них сохраняется возможность рулонирования стенки и плоского днища, вследствие чего облегчается их изготовление. Эксплуатация таких резервуаров сравнительно проста. Рациональная область применения резервуаров этого типа - объем до 3 тыс. м3. При больших объемах усложняются конструкции крыши и анкерных устройств.
Таким образом, отечественное резервуаростроение охватывает большую номенклатуру резервуаров различных типов и назначений. Однако число типоразмеров, например, в пределах 5÷100 м3, в нашей стране значительно меньше, чем в развитых зарубежных странах. В отношении взаимозаменяемости, применительно к большим объёмам резервуаров наша номенклатура более чёткая, чем зарубежная.
Климатические условия России вызывают необходимость дифференцированного подхода к применению тех или иных типов резервуаров с учетом специфических условий их эксплуатации, значительных температурных колебаний, больших снеговых и ветровых нагрузок, сейсмических воздействий, вечномерзлых и просадочных грунтов и т.д.
Например, резервуары с понтоном и со стационарной крышей по расходу стали более металлоемки (на 15÷20%) , чем резервуары тех же объемов с плавающей крышей. Однако в районах с большими снеговыми нагрузками или песчаными бурями приходится применять резервуары с понтоном. По аналогичным причинам в северных районах с большими снеговыми и ветровыми нагрузками в целях обеспечения устойчивости стенок резервуаров предпочтительнее резервуары высотой не 18м (экономически более выгодные), а до 12 м. В дальнейшем целесообразно ограничить применение резервуаров больших объемов (50 тыс. м3и более) в северных районах во избежание возможных хрупких разрушений.
Отечественный индустриальный метод рулонирования применительно к резервуарам больших объемов в связи с ограничением толщины листов требует иногда применения новых конструктивных форм, например двухслойной или предварительно напряженной стенки, усиления бандажами и других решений.
Перечисленные выше специфические условия проектирования, изготовления и монтажа, а также эксплуатации резервуаров отражаются и в методике расчета. В России за основу принят метод расчета конструкций по предельным состояниям.
22. Общие сведения о легких металлоконструкциях, их конструктивные решения
К легким металлическим конструкциям относят несущие и ограждающие конструкции, венные преимущественно из эффективных профилей (трубчатых, гнутых, тавровых, тонкостенных, перфорированных) обычной и высокопрочной сталей и алюминиевых сплавов, легких теплоизоляционных материалов. Суммарная масса таких конструкций на 1 ограждающей поверхности не превышает 100...150 кг.
Гнутые и перфорированные профили дороже прокатных и сплошностенчатых, высокопрочные стали и эффективные утеплители дороже обычных. Чтобы легкие конструкции могли конкурировать с обычными, они должны отличаться высокой реальностью. Поэтому основными предпосылками разработки легких конструкций являются серийное изготовление на автоматизированных линиях, максимальная заводская готовность, монтаж крупными блоками.
Сейчас выпускают одноэтажные промышленные здания различных типов из легких металлоконструкций комплексной поставки: каркасы плоскостной системы из рамных конструкций, каркасы пространственной системы с покрытиями из структурных плит и др. Вместе с каркасами комплектно поставляют ограждающие конструкции: трехслойные стеновые панели со стальными и алюминиевыми обшивками и утеплителями из пенополиуретана или минераловатных плит, стальные и алюминиевые оконные и блоки, алюминиевые витражи и витрины, стальные ворота, зенитные фонари, каркасы перегородок, алюминиевые подвесные потолки, стальные лестничные марши и площадки.
Наряду с использованием в каркасе здания эффективных профилей из стали повышенной прочности, позволяют снизить расход металла в 1.5-2 раза, а общую массу здания в 3-4 раза по сравнению с традиционными конструкциями, что способствует снижению трудозатрат в 1.3-1.5 раза. Характерным для этих конструкций является их комплексная поставка на строительную площадку, то есть поставка несущих и ограждающих конструкций, а в ряде случаев и технологического оборудования, что позволяет сдавать заказчику здание «под ключ». Элементы конструкций соединяются исключительно при помощи болтовых соединений. Для того чтобы исключить ошибки или неточности в монтаже, на заводе — изготовителе проводится ряд мероприятий, направленных на достижение высокого качества и надёжности лёгких металлоконструкций. Здания из лёгких металлоконструкций имеют ряд преимуществ перед сооружениями, построенными с использованием традиционных материалов. Например, срок монтажа здания из ЛМК примерно в 2 раза меньше, чем возведение такого же здания по традиционной методике, следовательно, финансовые затраты сокращаются на 25-30 %, за счёт снижения себестоимости строительства нулевого цикла; с использованием ЛМК можно создавать более сложные архитектурные решения и др.
Можно условно разделить все преимущества зданий из лёгких металлических конструкций на две группы:
Эксплуатация сооружения
Прочность и долговечность
Пожаробезопасность
Сейсмостойкость
Минимальные тепловые потери
ЭкологичностьНизкие затраты на эксплуатацию
Широкие архитектурные возможности
Фаза строительства
Низкая стоимость материалов
Экономия на фундаменте
Быстрота и удобство сборки
Отсутствие усадки
Точность исполнения
Всепогодность строительства из-за отсутствия «мокрых процессов»
Простота сборки
ля восстановления и повышения несущей способности элементов металлических стропильных ферм обычно используют аналогичные схемы, что и для усиления стальных балочных конструкций.
Обычно усиление металлических ферм осуществляют путем превращения их в статически неопределимые системы за счет:
- подведения дополнительных опор;
- объединения концов ферм смежных пролетов и превращения их
в многопролетные конструкции;
- подведения подкосов или подвесок;
- надстройки поддерживающих тросовых систем;
- установки поддерживающих арочных конструкций;
- введения шпренгельных элементов;
- введением дополнительных элементов решетки, изменением схемы конструкции и увеличением сечения отдельных элементов.
23. Конструктивные решения по усилению стальных ферм покрытия.
Подведение новых конструкций устраивают в том случае, когда другие способы усиления не дают требуемого эффекта и если по условиям производства допустима установка дополнительных промежуточных опор (рис.1). Дополнительные опоры следует устанавливать в узловых соединениях фермы симметрично от максимального изгибающего момента. В местах передачи узлы фермы усиливаются дополнительными элементами.

Рисунок 1- Усиление ферм способом установки дополнительных промежуточных опор
1- усиливаемая ферма; 2- колонна; 3- дополнительная опора; 4- дополнительный элемент усиления фермы; 5- металлическая балка; 6- мостовой кран
Когда по технологическим причинам нельзя установить в пролете дополнительные опоры, прибегают к подведению подкосов (рис.2, а) или подвесок (рис.2, б),  что также способствует повышению несущей способности стропильных ферм. 

Рисунок 2 . Усиление ферм способом установки подкосов (а) и подвесок (б)
1- усиливаемая ферма; 2- колонна; 3- подкос; 4- элемент усиления фермы; 5- пилон; 6- подвеска
Установка дополнительных подкосов или подвесок требует дополнительного усиления раскосов фермы в местах, в которых они устанавливаются. Кроме того, при установке подвесок появляется необходимость вскрытия кровли и защиты от коррозии элементов усиления, находящихся на открытом воздухе, а при установке подкосов - дополнительного усиления фундаментов.
Установка поддерживающих арочных конструкций позволяет более равномерно разгрузить нижний пояс фермы и дает возможность не загромождать пролет цеха (рис.3).
 

Рисунок 3 - Усиление стропильных ферм путем установки поддерживающей арочной конструкции
1- усиливаемая ферма; 2- колонна; 3- арочная конструкция; 4- передаточные стойки
Более простым и эффективным способом усиления металлических стропильных ферм является объединение концов ферм смежных пролетов и превращения их в неразрезные многопролетные конструкции (рис.4, а) или надстройка висячих (вантовых) систем, к которым подвешивается усиливаемая поддерживающих тросовых конструкция (рис.4, б).
В первом случае необходим свободный доступ к узлам сопряжения. Преобразование осуществляется путем жесткого крепления (сварка) верхних и нижних поясов фермы металлическими элементами усиления (поз.3, рис.4). Металлические элементы усиления должны заходить на смежные полки верхних и нижних поясов ферм. При этом способе в фермах возникает изгибающий момент меньшей величины, что способствует повышению несущей способности усиливаемых конструкций.

Рисунок 4 - Усиление стропильных ферм путем превращения их в неразрезные многопролетные конструкции или надстройки висячих (вантовых) систем
1-усиливаемая ферма; 2- колонна; 3- элементы усиления; 4- закрепление тросов
При устройстве висячих систем необходимо прочное закрепление окончаний тросов за пределами здания, что приводит к увеличению габаритов здания. Этот способ особенно эффективен в том случае, когда ванты можно подвешивать к рядом стоящим более высоким и устойчивым сооружениям.
В тех случаях, когда имеется возможность установки элементов усиления стропильных ферм снаружи здания, то прибегают к устройству подпорок или оттяжек (рис. 5). Для установки подпорок необходимо устройство дополнительного фундамента, а также горизонтальных и наклонных поддерживающих элементов. Установка оттяжек требует устройства специальных анкеров, препятствующих выдергиванию оттяжек.

Рисунок 5 - Пример усиления стропильной фермы установкой наружных подпорок и оттяжек
1-усиливаемая ферма; 2- колонна; 3- оттяжка; 4-подпорка; 5- анкер, препятствующий выдергиванию оттяжки
 
Увеличения несущей способности стальной фермы можно достичь путем установки шпренгельной системы (третьего пояса) в пределах высоты фермы или в нижних опорных узлах (рис.6). Для передачи усилия от ферм на шпренгельные системы необходимо выполнить местное усиление стоек фермы.

Рисунок 6 - Усиление стропильных ферм путем установки шпренгельных систем
а)- крепление шпренгеля в верхних узлах фермы; б)- крепление шпренгеля в нижних опорных узлах фермы
1-усиливаемая ферма; 2-шпренгельная система; 3- элементы местного усиления
 
Наиболее эффективного повышения несущей способности стальных ферм достигается с помощью установки предварительно напряжнных затяжек (рис.7).

Рисунок 7 -Усиление стропильных ферм путем установки преднапряженных затяжек а)- при расположении вдоль нижнего пояса фермы; (б) и (в)- то же, в плоскости фермы при креплении затяжек в верхних и нижних опорных узлах фермы:
1-усиливаемая ферма; 2- колонна; 3-затяжка
 
Затяжки могут располагаться при расположении вдоль нижнего пояса или в пределах высоты фермы. Крепление затяжек осуществляют в пределах нижнего пояса или в верхних и нижних опорных узлах фермы. При повышении несущей способности элементов верхнего пояса металлической фермы с помощью установки шпренгельных элементов работы должны выполняться с обязательным снятием нагрузки на ферму.
Усиление стропильных ферм путем установки предварительно напряженных затяжек не требует дополнительных опор и может осуществляться из высокопрочных канатов, круглой стали или прокатного профиля, обеспечивая минимальную материалоемкость усиления.
При размещении затяжек вдоль нижнего пояса достигается разгрузка только нижних поясов ферм (рис.7, а). Введение затяжек в уровне нижнего пояса ригеля эффективно в том случае, когда нижний пояс ригеля имеет ломаное очертание (рис.7, в), что ведет к изменению усилий в большем количестве стержней. Ломаное очертание нижнего пояса ригеля позволяет значительно уменьшить изгибающие моменты в стойках и ригеле от воздействия вертикальных нагрузок на ригель.
На рис.8 приведены детали крепления предварительно напряженных затяжек с креплением их на верхние узлы стропильной фермы. При креплении затяжек на верхние узлы стропильной фермы необходимо к надопорной стойке и в средней части нижнего пояса фермы приварить детали усиления из прокатного профиля, дополнительные фасонки и анкерные устройства, к которым прикрепляют металлические тяжи (рис.8, узел 1 и 2).

Рисунок 8 - Усиление металлических стропильных ферм установкой предварительно напряженных тяжей
1-усиливаемая ферма; 2- новая фасонка; 3- стержни усиливаемой фермы; 4- преднапряженные тяжи; 5- анкерное устройство; 6- деталь усиления; 7- надопорная стойка
 
Предварительное напряжение в тяжах создается с помощью натяжных муфт или тельферных напрягающих устройств, которые должны включаться в совместную работу одновременно.
Усиление ферм можно добиться включением в совместную работу со стропильными конструкциями светоаэрационных фонарей, к которым подвешивают верхний пояс стропильных ферм (рис.9).

Рисунок 9 - Варианты усиления стропильных ферм путем включением в работу светоаэрационных при расположении их в центре пролета (а) или на границе смежных пролетов (б): 1-усиливаемая ферма; 2- новые стержни; 3-фонарь
 
Такой способ усиления служит для разгрузки поясов ферм и может применяться при наличии светоаэрационных фонарей, расположенных в центре или на границе смежных пролетов. Недостатком включения фонарей в совместную с фермой работу требует усиления фонарных конструкций.
Для уменьшения гибкости стержней в плоскости фермы и усиления верхнего пояса фермы на местный изгиб используют введение дополнительных элементов решетки (вторая решетка) (рис.10, а). Когда же требуется снизить величину изгибающих моментов в полках верхнего пояса ферм при их работе на местный изгиб и уменьшить расчетные длины сжатых элементов полок и раскосов, то прибегают к устройству шпренгельных элементов решетки (рис.10, б). Эти приемы служат для разгрузки элементов и узлов решетки ферм и позволяют уменьшить в них усилия от нагрузок, прикладываемых после усиления ферм.

Рисунок 10 - Усиление стропильных ферм путем введения дополнительных элементов решетки (а) или шпренгельных элементов решетки
1-усиливаемая ферма; 2- колонна; 3- дополнительные элементы решетки
 
Наиболее распространенным способом усиления металлических ферм является увеличение сечения их стержней, прикрепляя к ним трубы, уголки, листовую или круглую сталь. Он является эффективным в том случае, когда требуется усилить лишь отдельные наиболее напряженные или дефектные элементы фермы.
Часто применяемые способы усиления элементов стальных ферм путем увеличения их сечения приведены на рис. 11. При использовании этого способа желательно сохранить положение центра тяжести сечения усиливаемого элемента фермы.

Рисунок 11 - Схемы усиления центрально-растянутых и центрально-сжатых
элементов металлических ферм увеличением их сечения
1- усиливаемый элемент; 2- элемент усиления
24.  Конструктивные решения по усилению стальных колонн.
Основной принцип усиления конструкций заключается во включении в работу дополнительных элементов, увеличивающих сечение и степень армирования, также и за счет изменения расчетной схемы путем введения дополнительных опор.
Усиление железобетонных колонн возможно производить различными методами. Ряд из них подобен способам усиления кирпичных столбов.
Широко используются способ устройства железобетонных и стальных обойм, метод усиления путем приварки металлических уголков к рабочей арматуре, установка предварительно напряженных хомутов, металлических обойм из уголка и листа, предварительно напряженного арматурного каркаса или хомутов.
На рис. 1 приведены некоторые варианты усиления колонн.

Рисунок 1 -  Технологические схемы усиления железобетонных колонн а - стальными обоймами: 1 - колонна; 2 - металлический лист; 3 - уголки; б - наращиванием железобетонных обойм: 1 - железобетонная обойма с отверстием для нагнетания цементно-песчаного раствора; 2 - растворная часть; 3 - дополнительное армирование сеткой; 4 - патрубок; 5 - насос-инъектор; в - усиление рабочей арматуры дополнительными стержнями и обоймой из уголков: 1 - усиливаемая колонна; 2, 3 - рабочая и наращиваемая арматура; 4, 5 - уголки; г - усиление рабочей арматуры отдельными стержнями с последующим омоноличиванием: 1 - колонна; 2 - рабочая арматура; 3, 4 - наращиваемая арматура; 5, 6 - опалубка; 7 - фиксаторы опалубки
При выполнении работ следует руководствоваться следующими положениями технологии строительных процессов.
При усилении методом наращивания сечения в виде железобетонных обойм следует произвести тщательную очистку поверхности колонн; выполнить насечку, обеспечивающую более высокое сцепление с новым бетоном; при нарушении защитного слоя очистить выступающую на поверхность арматуру, произвести антикоррозийную защиту; перед укладкой бетонной смеси поверхность колонн увлажнить.
При усилении с помощью металлических уголков и хомутов обязательным условием является плотное сопряжение усиливаемых элементов с поверхностью колонны. Для этой цели осуществляются удаление неровностей и шлифовка поверхности колонн.
Усиление методом наращивания к продольной арматуре дополнительных уголков требует очистки швов после выполнения сварочных работ и омоноличивания вскрытых полостей полимерными растворами. Использование напрягаемых хомутов требует применения инструмента, обеспечивающего равномерность натяжения до расчетных усилий. Залогом качественного выполнения технологических операций являются правильная организация пооперационного контроля и соблюдение технологического регламента.
Особый интерес представляет усиление колонн, примыкающих к наружным или внутренним стенам. Наиболее эффективной технологией остается устройство железобетонной рубашки. Такое решение принимается в случае, когда поверхность колонн сильно разрушена, имеют место отслоение защитного слоя бетона, высокая трещиноватость. Производство работ заключается в очистке поверхности колонны, устройстве насечки, установке дополнительного арматурного каркаса, монтаже опалубочных щитов и нагнетании бетонной смеси в полость. Как правило, перед нагнетанием мелкозернистой бетонной смеси производится обильное увлажнение поверхности колонн.
Нагнетание смеси производится известными установками с обязательным контролем качества работ. Особое внимание уделяется вибрационным воздействиям на щиты опалубки, что обеспечивает более равномерное распределение смеси и заполнение всех пустот и дефектов.
Возможно поярусное бетонирование усиливаемого слоя. В этом случае торцевой щит опалубки выполняется разъемным. После заполнения одного яруса бетонной смесью производят наращивание торцевого щита, и цикл повторяется. В процессе укладки необходимо тщательное уплотнение бетонной смеси глубинным вибрированием.
Достаточно высокий эффект омоноличивания достигается при использовании опалубки в виде вакуум-щитов. Это обстоятельство позволяет удалить значительное количество химически несвязанной воды, что приводит к повышению прочности бетона на 25-30 %. При этом сокращается цикл набора прочности и обеспечивается более ранняя распалубка конструкции.
При увеличении нагрузок на колонну, а также вследствие деструктивных процессов, протекающих в бетоне, повышение несущей способности достигается путем установки разгрузочных элементов в виде швеллеров, объединенных по периметру колонн хомутами.
Несмотря на простоту решения, метод усиления металлоемок и малопригоден в условиях реконструкции жилого фонда.
Для вовлечения в работу элементов стены используют наклонные напряженные хомуты, объединяющие колонну со стеной. Для этой цели на поверхности колонн устраивают штрабы, фиксирующие положение хомутов, а в кирпичной стене - наклонные сквозные отверстия. С помощью натяжных устройств обеспечиваются равномерное натяжение хомутов и вовлечение стены в совместную работу с колонной.
При высокой прочности стен такое решение позволяет усилить колонну. В то же время оно может выполнять и противоположную функцию - повысить устойчивость наружных стен. Это решение может быть успешно использовано при реконструкции старого жилого фонда с применением метода встроенных систем, когда имеет место снижение устойчивости кирпичной кладки стен.
25. Конструктивные решения по усилению стальных балок
Усиление балочных конструкций осуществляется, как правило, несколькими способами: наращиванием арматуры растянутой зоны; наращиванием балок снизу с увеличением степени армирования и высоты сечения; установкой железобетонных обойм; устройством шпренгельных систем; устройством затяжек по нижнему поясу балок.
Если по расчету требуется незначительное увеличение сечения арматуры растянутой зоны, то процесс усиления осуществляется следующим образом. С шагом 500-600 мм отбивают защитный слой бетона от боковых стержней, оголяют арматуру. Затем осуществляют приварку z-образных коротышей диаметром 20-40 мм, длиной до 200 мм. Далее приваривают дополнительные стержни продольной арматуры (рис. 1).

Рисунок 1 -  Конструктивно-технологические схемы усиления железобетонных балок а - наращиванием арматуры растянутой зоны: 1 - усиливаемая конструкция; 2 - наращиваемая зона; 3 - рабочая арматура; 4 - кронштейн для крепления дополнительной арматуры; 5- наращиваемая арматура; б - наращивание арматуры растянутой зоны в виде уголков: 1 - усиливаемая конструкция; 2 - рабочая арматура; 3 - опорный уголок; 4 - дополнительное армирование; 5 - зона заделки цементно-полимерным раствором; в - устройство затяжки по нижнему поясу: 1 - усиливаемая конструкция; 2 - дополнительная арматура; 3 - коротыш; 4 - натяжное устройство; г -дополнительное армирование нижнего пояса: 1 - усиливаемая конструкция; 2 - арматура усиления; 3 - полимерцементный раствор
После установки дополнительной арматуры осуществляется ее защита. Наиболее эффективной технологией является торкретирование. В то же время имеется ряд композиционных растворов, которые обладают хорошей адгезией со старым бетоном и арматурой и наносятся методом оштукатуривания.
Для более высокой степени усиления балочных конструкций используется для дополнительного армирования уголковая сталь, которая с помощью коротышей и сварных соединений фиксируется к крайним стержням арматуры.
Сколы бетона после выполнения всех операций заделываются цементно-песчаным раствором.
Усиление нижнего пояса отдельными стержнями осуществляется путем устройства затяжек, а также путем расположения дополнительных стержней в пазы с последующим омоноличиванием полимерцементными высокоадгезионными составами. Пазы образуют, используя специальный ручной инструмент с алмазным напылением.
Для зданий жилого фонда шпренгельное усиление балок используется чрезвычайно редко, так как требует периодического наблюдения за состоянием конструкции, а содержание без экранов и подвесных потолков нарушает интерьер помещений.
Усиление и восстановление несущей способности перекрытий являются наиболее распространенными задачами при реконструкции зданий.
По результатам обследований и оценки степени износа конструктивных элементов принимают решение о восстановлении, усилении несущей способности, частичной или полной замене перекрытий. Принятию решения предшествует технико-экономическая оценка вариантов.
Конструктивные решения перекрытий для зданий различного периода строительства весьма разнообразны. К наиболее распространенным следует отнести: каменные перекрытия по несущим металлическим балкам; монолитные балочные и безбалочные; сборные из сплошного и многопустотного настилов; сборные по балкам из штучных материалов и др. В перечисленные типы перекрытий не вошли деревянные, так как срок их эксплуатации и физический износ многократно превышают допустимые нормы.Каменные перекрытия по металлическим балкам, как правило, выполнялись в подвальных этажах жилых зданий. Они представляют собой арочное перекрытие из кирпича по несущим металлическим балкам из двутавра или рельса. В зависимости от степени физического износа кирпичной кладки возможны следующие варианты усиления: установка затяжек для восприятия распора с частичным восстановлением кладки; устройство железобетонного наращивания сверху; устройство железобетонного наращивания снизу в виде арочной плиты; замена кирпичного арочного перекрытия на железобетонные.

Приложенные файлы

  • docx 5805786
    Размер файла: 7 MB Загрузок: 0

Добавить комментарий