Основатели русской школы мостостроения

С.В. Кербедз, Н.А. Белелюбский, Л.Д. Проскуряков

С.В. Кербедз (1810-1899) инж. Строитель

- построил первый железный мост с решетчатыми фермами 1853 г.

- построил самый крупный мост (чугун) Петербург.

Н.А. Белелюбский (1848-1922) проф. – мостостроитель

- применил раскосную решетку для мостовых ферм

- разработал метрический сортамент прокатных проф.

- усовершенствовал методику испытаний строительных материалов

- написал I систем. Курс по строительной механике.

Л.Д. Проскуряков (1858-1926) проф.

- ввел в мостостроение фермы треугольную и шпренгельную решетку

- разработал теорию о наивыгоднейшем очертании фермы.

Большой вклад в развитие МК внесли.

Ф.С. Ясинский, В.Г. Шухов, И.П. Прокофьев

Ф.С. Ясинский (1858-1899) проф.

-первый запроектировал многопролетное пром. зд. с м. колоннами

- внес вклад в расчет сжатых стержней на продольный прогиб.

В.Г. Шухов (1853-1939)

- I разработал и построил пространственные решетчатые конструкции покрытий, башен

- использовал ПН

- использовал вантовую схему

- разработал новые конструктивные формы резервуаров, расчет.

И.П. Прокофьев (1877-1958) проф.

- опубликовал первую монографию по изготовлению и монтажу м. мостов

- запроектировал ряд БП

Пятый период (послереволюционный)

- замена клепанных конструкций на сварные

- применение низколегированных сталей

- использование алюминиевых сплавов

- возросла производственная база МК.

- возросла роль трестов – Проектстальконструкция,
ЦНИПС – ЦНИИСК

Промстройпроект

ВУЗов

- совмещение проектных и научных коллективов
ЦНИП Проектстальконструкция – ведущая в проектноисследоват. организация МК.

ВНИПИ Промстальконструкция – ведущая в по проектир. и исс. монтажных работ.

ВНИКТИСК – ведущий организацией по проект. и исс. технологии изготовления.

- стала формироваться сов. шк. проектирования МК.

- оптимальная компоновочная схема

- геометрические размеры

- снижение трудоемкости изготовления МК

- скорость монтажа

- принцип комплексного решения задач

- типизация конструктивных схем, элементов

- введение модуля размеров

- получают развитие листовые конструкции высотные сооружения

- до 1950 г. – расчет по допускаемым напряжениям

- расчет МК по предельным состояниям

- использование при расчетах МК ЭВМ САПР

Н.С. Стрелецкий (1885-1967) – Герой Соц. Труда, член – кор. АН СССР, профессор.

- основатель сов. школы МК

- первый применил статические методы в расчете конструкций

- I исс. работу статически неопределимых систем

- провел теоретические исс. и обобщил опыт в
области развития конструктивной формы
- инициатор расчета по допустимым напряжениям

Е.О. Патон (1870-1953) - Герой Соц. Труда, действительный член АН УССР

- развитие мостостроения

- механизация и автоматизация электродуговой сварки

§2. Номенклатура и область применения МК.

В зависимости от конструктивной формы, назначения МК можно разделить на 8 видов:

1. Промышленные здания

а – цельнометаллические конструкции промышленных зданий применяются

- при больших пролетах L≥ 24м.

- при кранах Q≥ 30 т.

- при высоких зданиях

б – смешанные каркасы – колонны ЖБ, шатер, ПБ – МК

2. Большепролетные покрытия зданий (БП)

а – здания общественного назначения:

- рынки

- спортивные сооружения

- выставочные павильоны

- театры

б – некоторые промышленные здания:

- ангары

- авиасборочные цехи

- лаборатории

БП применяют при L ≤ 100÷ 150 м.

БП бывают различными по конструктивным схемам:

- Балочные

- Рамные

- Арочные

- Висячие

- Комбинированные

-

- плоские, пространственные.

В БП применяют:

- AL сплавы

- ПН (предварительное напряж.)

- Высокопрочные стали

3. Мосты, эстакады – выполняются из МК

- При больших пролетах

- При ограниченных сроках возведения

- В отдаленных районах

По конструктивным схемам

- Балочные

- Арочные

- висячие

- комбинированные

4. Листовые конструкции

- Резервуары

- Газгольдеры

- Бункера

- Трубопроводы большого Æ

- Сооружения – доменного комплекса

- химического производства

- нефтепереработки

Листовые конструкции – тонкостенные оболочки.

Требования к ним – прочные, плотные (непроницаемые).

5. Башни, мачты служат для

- Радио и телевидения

- Геодезической службы

- Опор ЛЭП

- Шахтных копров

- нефтяные вышки

- вентиляционные трубы

МК позволяет облегчить конструкции, повысить транспортабельность, улучшить монтаж.

6. Каркасы многоэтажных зданий

- при плотной застройки городов

- в некоторых промышленных зданиях

7. Крановые и другие подвижные конструкции

- мостовые

- башенные

- козловые

- крупные экскаваторы

- затворы гидротехнических сооружений

8. Прочие конструкции

- по использованию атомной энергии

- радиотехники

- копры

- платформы по разведки нефти, газа в море.

§ 3. Достоинства и недостатки МК.

Достоинства

Надежность – обеспечивается близким совпадением расчетных и фактических усилий в МК.

- сталь, AL сплавы – достаточно однородные.

Легкость – МК легче ЖБ, камня К, дерева К.

Чем меньше коэффициент С = р/R, тем легче р – плотность, R – сопротивление

С = 3, 7 ·10^-4 1/м малоуглеродистая сталь

С = 1, 7 ·10 ^-4 1/м высокопрочная сталь

С = 1, 1 – 10^-4 1/м – Д16 – Т дюралюминевый сплав

С = 1, 85 ·10^-3 1/м – ЖБ марки М 300

С = 5, 4 · 10^-4 1/м - дерево

Индустриальность – заводское изготовление

- монтаж при помощи высокопроизв. техн.

Непроницаемость – высокая плотность метелла (непроницаемость для жидкости и газов)

- плотность соединений (сварных)

Недостатки

Коррозия – во влажной среде (разрушается через 2 – 3 года)

- в газообразной среде (разрушается через 2 – 3 года)

Повышение коррозионной стойкости путем - легирующих добавок покрытые плёнками, лаками, выбор рациональной схемы.

(без щелей, пазухов)

Небольшая огнестойкость при t = 200 ° ¯ Е

При t = 600° сталь переходит в пластическое состояние.

МК защищают облицовкой - бетон

- керамика

- спец. покрытия

Требования к МК

Условия эксплуатации – удовлетворение условиям эксплуатации - требования для проектировщиков. - определяет систему, конструктивную форму сооружения и выбор материала.

Экономия металла – дефицит металла, его высокая стоимость. Применение металла в случае невозможности применения других материала.

Транспортабельность - в проекте следует предусмотреть возможность транспортирования МК целиком или по частям (отправочными элементами).

Технологичность – МК должна проектироваться с учетом возможности технологии изготовления и монтажа, применяя передовые приемы производства.

Скоростной монтаж – возможность ¯ сроки строительства.

Долговечность – определяется сроками физического и морального износа. Физический износ – коррозия. Моральный износ – изменение условий эксплуатации (­ нагрузки).

Эстетичность – условие предъявляемое к общественным зданиям.

Организация проектирования.

Проектирование производится на основании – задания на проектирование.

Проектирование выполняют в одну или две стадии.

В 1 стадию – рабочий проект (несложные объекты, типовые проекты, при повторном строительстве).

Во 2 стадии – Проект и рабочая документация (для сложных объектов)

Заказчик устанавливает стадийность.

Проект

1. Краткое описание и обоснование арх. решений

2. Обоснование применения МК

3. Определяется основная конструктивная схема

4. Подбираются типовые конструкции

5. Разрабатывают планы, разделы, схемы несущих ограждающих конструкций.

Рабочая документация

1. Рабочие чертежи КМ

2. Рабочие чертежи КМД

КМ

1. Компоновка МК

2. Увязка с технологической, транспортной, архитектурно строй. частями проекта

3. Пояснительная записка

4. Нагрузки

5. Статистические (динамические) расчеты

6. Табл. сечений элементов

7. Узлы, расчеты

8. Спецификация металла по профилям.

КМД

Разрабатывают в КБ завода изготовителя

- Станки

- Сварочное оборудование

- Технологические нг

2. Основные свойства и работа материалов для МК.

1. Стали

Качество стали определяется:

механическими свойствами –

1 – сопротивление статическ. возд.
(временным сопротивлением, пределом текучести)

2 – сопротивление динамическим возд. и
хрупкому разрушению
(ударной вязкостью при различных )
3 – показателями эластичности
(относительным удлинением, )
4- сопротивлению расслоению
(изгиб в холодном состоянии)
5- сопротивление многократному нагружению усталостью
Свариваемостью – гарантируется хим. составом
коррозионной стойкостью

По механическим свойствам стали
делятся на три группы.

1. Обычной прочности (малоуглеродистые)
(ВСт3 кп, ВСт3 пс, ВСт3 сп) s_т=185÷ 285 МПа

s_в=365÷ 390 МПа

e=25÷ 27%

2. Повышенной прочности
(ВСт Тпс, 09Г2, 09Г2С, 14Г2, 10Г2С1) s_т=295÷ 390 МПа

s_в=430÷ 540 МПа

e=19÷ 20%

3. Высокой прочности
16Г2АФ, 18Г2АФпс, 15Г2СФ т.о. s_т> 440
12Г2СМФ т.о. s_в> 590

12ГН2МФАЮ т.о. e=14÷ 20%

Основа стали феррит (низкая прочность, высокая пластичность)

его св-ва улучшают путем

- добавки углерода (У) к ферриту (малоуглеродистые)

- легирование марганцем (Г) низколегированные

кремнием (С) стали

ванадием (Д) повышенной

хромом (Х) прочности

- легированием и термическим упрочнением
(стали высокой прочности)

Основные хим. элементы применяемые при легировании.

Углерод (У) – ­прочность стали, ¯ пластичность,
ухудшает свариваемость, У≤ 0.22%

Кремний (С) – ­прочность стали, ухудшает свариваемость,
ухудшает стойкость против коррозии
применяется как раскислитель, С≤ 0.3%

Алюминий (Ю) - ­ударную вязкость, хорошо раскисляет, нейтрализует фосфор.
Марганец (Г) - ­прочность, ­вязкость, хорошо раскисляет, снижает вред серы
малоуг. стали Г≤ 0.64%

Легированных Г≤ 1.5%

Медь (Д) - ­прочность, ­стойкость к коррозии

Д≤ 0.7%

Молибден (М), бор (Р) – способствуют получению высокопрочных сталей.

Азот (А) – способствует старению стали, увеличивает хрупкость стали,

в связанном состоянии и Ю, Ф, титан (Т)

становятся легирующим элементом.

Хром (Х), ванадий (Ф), вольфрам (В), титан (Т) – легирующие элементы.

Никель (Н) - ­прочность, ­пластичность

Вольфрам (В), молибден (М) - ­твердость, ¯ пластичность

Вредные примеси

Фосфор - ­хрупкость при t< 0⁰С (хладноломкость)

¯ пластичность при t> 0⁰С ≤ 0.04%

Сера - ­хрупкость при t≈ 800÷ 1000⁰С (красноломкость) ≤ 0.05%

Газы – попавшие в жидкий металл
кислород – (как сера)

азот - ¯ качество стали

водород - ¯ сопротивление к хрупкому разрушению

водород - ¯ s_в, ¯ пластичность.

Термическая обработка.

- повышает прочность изменяется структура

- деформативность стали, уменьшается зерно

Нормализация – повторный нагрев с остыванием.

(упорядочивается структура стали, снимаются внутренние
напряжения улучшается s_в, s_т, e, ударная вязкость)

Закалка – быстрое остывание после нагрева.
(высокая прочность стали ¯ пластичность

­склонность к хрупкому разрушению)

Отпуск – аналогичен нормализации, но после закалки

(­стойкость к хрупкому разрушению

Улучшается структура)

Старение

- перестройка структуры – изменение прочности,

пластичности – во времени

Старение ¯ сопротивление динамич. возд. хрупкому разрушению.

Старению способствует:

а) механическое воздействие (развитие пласт. деформ)

б) температурные колебания

в) совместное действие механич. возд. и ­t⁰С

г) ­t⁰c(150⁰-200⁰С)

По степени раскисления стали делят

- кипящие (засорена газами, неоднородна)

свойства стали меняются по толщине слитка

КП – стали имеют хорошие показатели s_в, s_т

хуже сопротивляются – хрупкому разрушению, старению

- спокойные (раскисленные, нейтрализуют действие газов, однородные)

СП – хорошо свариваются, ­сопротивление динамич.

воздействием, хрупкому воздейств.

СП – дороже КП.

- полуспокойные (полураскисленные)

занимают положение по свойствам.

КП ~Пс~СП

Свойства стали зависят от толщины проката.

­ t (мм) прочность ¯

Малоуглеродистые стали обычной прочн.

Для СК применяют сталь марок Ст 3, Ст 3 Гпс ГОСТ – 380 – 71, с при

В Ст 3 пс 6:

Ø Группа (по мех. Свойствам и хим. составу)

Ø Марка

Ø полуспокойная

Ø Категория (по ударной вязкости)

Стали повышенной прочности.

Получают термической обработкой, легированием. В Ст Т – термически обработанная (ПС, СП для МК) стали делятся на 15 категорий.

Стали высокой прочности.

Получают легированием и термической обработкой. Применяют и БК конструкциях, ® к экономии металла.

Выбор марок сталей для СК МК

Марку стали выбирают:

- На основе вариантного проектирования

- На основе ТЭ анализа

- С учетом СНиП II - 23 – 81

- Сокращение количества марок

- Сокращение количества профилей

- С учетом температурной среды (-t⁰C)

- С учетом вариантной работы при динамических нагрузках, вибраций

- С учетом уровня напряжений и напряженного состояния

- С учетом соединения элементов

- С учетом толщины проката

Все конструкции по работе делятся на 4 группы: (табл 50/1/)

Группа 1 – сварные конструкции работающие в особо тяжелых условиях (вибрация, динамика, подвижная нагрузка)

- Подкрановая Б

- Б рабочих площадок

- Элементы конструкций бункерных

- -//- разгрузочных

- Фасонки ферм

- Пролетные строения транспортных галерей

- Специальные опоры больших переходов ЛЭП Н > 60 м.

- Элементы оттяжек мачт ГОСТ 27772 – 88

С 255, С 285, С345, С 375, С390, С 390 К, С 440.

Группа 2 – сварные конструкции, работающие при статической нагрузки (растяжение, изгиб)

- Фермы

- Ригели рам

- Б перекрытий и покрытий

- Косоуры лестниц

- Опоры ЛЭП

- Опоры транспортерных галерей

- Прожекторные мачты

- Элементы комбинированных антенн

- др. растянутые эл.

- Растянуто – изгибаемые эл.

- Изгибаемые эл.

ГОСТ 27772 – 88

С255, С 275, С 285, С 345,

ВСт 3кп, ВСТ 3 пс, 16Г2АФ

Группа 3 – сварные конструкции работающие при статической нагрузке (сжатие, изгиб)

- Колонны

- Стойки

- Опорные плиты

- Настил перекрытий

- Конструкции поддерживающие технологическое оборудование

- Вертикальные связи по колоннам

- Элементы стволов и башен антенн

- Прогоны покрытий

- Сжатые и сжато – изгибаемые эл – ты

ГОСТ 27772 – 88

С235, С 245, С275, С 285, С 345

ВСТ 3 кп, ВСТ 3 пс, ВСТ 3 сп

Группа 4 – вспомогательные конструкции (связи, фахверк, лестницы, площадки, ограждения, второстепенные эл. сооружений)

ГОСТ 27772 – 88

С235, С 245, С255, С 275, С 285

ВСТ 3 кп, ВСТ 3 пс

Примечание:

1. + - сталь следует применять

2. - - не следует применять

3. Требования табл. не распространяются на МК специальных сооружений (магистральные, технологические трубопроводы, резервуары спец. сооружений и т. п)

4. Требования табл. распространяются на прокат > 4 мм

5. климатические р-ны строительства ГОСТ16350 – 80 «климат СССР. Районирования и статические параметры климатических факторов для технических изделий»

Указанные в скобках (⁺_-t⁰C) = температура средняя t⁰ наиболее холодной пятидневки согласно СНиП по строительной климатологии и геофизике.

§2. Алюминиевые сплавы

AL Плотность т/м³ - модуль сдвига

Е=71000 МПа

e=40÷ 50% высокая пластичность

s_в=60÷ 70 МПа

s_0.2=20÷ 30 МПа – условный s_т

Прочность AL­легированием (магнием, марганцем, медью, кремнием, цинком и т.п.)

Термическим упрочнением

ALсплавов

Коррозионная стойкость сплавов зависит от состава легирующих элементов, внешней среды.

Конструкции из ALстойки против коррозии

Хладостойки

Антимагнитны

Долговечны - употребление в СК

Дорогие – употребление в СК

Рациональное применение ALв СК. Сочетающих в себе несущие функции и ограждения.

БП арки, купола, складки и т.п. – пром. здания

Башни, мачты, резервуары – иные соор.

Для отделки интерьеров – витражи, переплеты.

§3. Работа стали под нагрузкой

Работа железа

Исследования показывают, что сдвинуть одну часть монокристалла железа легче чем разорвать.

В упругой стадии железо работает как изотропный материал.

В пластической стадии находятся площадки между кристаллами железа по которым происходит сдвиг (течение). На этих плоскостях действуют t

e_пол=e_ост+e_упр

s=Еe(з. Гука)

0-А – стадия I, происходят упругие e, з. Гука s=Еe

eпроисходят за счет упруго возвратимых

Искажений атомной решетки.

А-В – стадия II, стадия пластичности s¹ Еe

s-const, e­, появляется невозвратимый

Сдвиг между зернами.

При снятии s, e_упрвозвращаются

В-С – стадия III, стадия самоупрочнения,

Пластические eвыбираются, материал

Работает как упруго пластический

Происходит ­сопротивления до s_в– времен. сопр.

С-Д – стадия IV, разрушение

Образование шейки

Основными хар-ми получаемыми при растяжении явл. s_т, s_в, e.

В сталях без ярковыраженной площадки текучести s_т≃ sпри которых e_ост=0.2%

В упругой области e≃ 2.06*10⁵ МПа при t=20⁰

При t< +0⁰С, s_т­=> s_в

t> +100⁰С, +200⁰С, s_т, s_вне изменяются

t> (400÷ 500) ⁰С, s_т¯, s_в¯

t≃ 600⁰С, s_т®0, s_в®0.

Работа стали при концентрациях напряжений.

В местах искажения сечений (отверстий, выточек, утолщений) происходит искривление линий силового потока и их сгущения около препятствий, что приводит к повышению sв этих местах.

Отношение maxsв местах концентрации к номинальному, равномерно распределенному- коэффиц. концентрации.

В местах овальных, круглых коэф. конц. 2-3

В местах резкого изменения сеч. (надрез) 6-9

При статических нагрузках и t=+20⁰С

Концентрация sне влияет на несущую способность.

При t< -30⁰С при ударных и динамических воздействиях разрушение хрупкое.

Ударная вязкость

Склонность металла к хрупкому разрушению и чувствительность к концентрации s. проверяются на ударную вязкость.

Ударная вязкость измеряется удельной работой затрачиваемой на разрушение надрезанного образца. Образцы стандартные.

Ударное действие на образец увеличивает вариантность перехода металла образца в хрупкое состояние.

Температура при которой происходит спад ударной вязкости – порог хладноломкости < 0.3 МДж/м²

Для особо ответственных конструкций ударную вязкость определяют после исскуственного старения.

Работа при повторных нагрузках.

При работе материала в упругой стадии повторные загружения не отражаются на работу материала

При работе в упруго пластической стадии повторная нагрузка ведет к ­ пластических e в результате необратимых искажений структуры металла.

При большом перерыве упругие свойства восстанавливаются и достигают пределов предыдущего цикла.

Это повышение упругих свойств – наклеп.

При повторных нагружениях в пределах наклепа материал работает как упругий. При этои e_пол¯

Наклеп используется в AL конструкц., ЖБК, но кроме МК, т.к. наклеп ведет к хрупкому разрушению.

Усталость металла

Она возникает при многократном непрерывном нагружении.

С ­ числа нагружений прочность ¯ до определенного уровня s_уст , ниже которого разрушения не происходят – предел усталостной прочности (выносливости).

У стали предел выносливости 2*10⁶ циклов

У AL сплавов s_уст нет ≃ 2*10⁶ цикла вибрационной прочности.

Усталостное разрушение происходит в следствие накопления числа дислокаций при каждом загружении ®разрыхление

Металла ® трещины.

При каждом нагружении e в поврежденном месте нарастают.

Линии разгрузки не совпадают с линиями загрузки.

Образуются петли Гистерезиса. Площадь петли характеризует энергию затраченную на каждом цикле нагрузки на образование новых дислокаций.

Усталостная прочность зависит от вида нагружения, хар. коэффициентом ассиметрии

У стали марки Ст3 при =0÷ 1 s_уст=s_т

=-1 s_уст»> 140 МПа (59÷ 67%) s_т=s_уст

s_уст¯ при концентрациях s

Меры повышения усталостной прочности.

1. В СК, где нет концентраций s=> перейти от мало углеродистых в стали с повышенной прочностью

2. В СК со значительной концентрацией s:

=> перейти к сглаживанию силового потока

=> ¯ концентрац. s обработкой (зачистка поверхности стыкового шва)

=> отводить силовой поток от места концентрации s;

=> делать предварительную вытяжку МК (обкатка ПБ краном с допустимой перегрузкой)

=> создавать s сжатия в местах конц. s (локальный нагрев, местное уплотнение).

Сжатие ­ выносливость.

Хрупкое разрушение.

Вязкое разрушение – развитие пластических по всему сечению, e для МК развитие больших прогибов f

Квазихрупкие – между вязким и хрупким.

Кажущееся хрупкое разрушение.

Хрупкое – разрушение при малых e. Резко

На хрупкое разрушение сильно влияют:

Качество стали

старение

концентрации s

t⁰ эксплуатации

характер силового действия (удар, динамика)

Ударные многократно повторные s объемные s увеличивают способность хрупкого разрушения.

Глава 3. Основы расчета МК

1. Метод расчета по предельным состяниям.

Цель расчета СК – обеспечить условия эксплуатации, прочность, min расход материалов, min трудоемкости.

СК рассчитывают по предельным состояниям.

Предельные состояния – состояние при которых конструкции перестают удовлетворять заданным эксплуатационным требованиям.

В расчетах СК учитывают следующие предельные состояния:

I гр. – по потере несущей способности (или полной непригодности к эксплуатации)

II гр. – по затруднению нормальной эксплуатации.

К предельным состояниям I гр. относятся:

2. Общая потеря устойчивости формы

3. Потеря устойчивости положения

1. Разрушение

4. Переход СК в изменяемую систему

5. Состояния текучести материала

6. Сдвиг в соединениях

8. ползучесть

9. недопустимость остаточных Е,

7.трещины

К предельным состояниям II гр. относятся:

1 – состояния затрудняющие нормальную эксплуат.

2 – снижающие долговечность (появление прогибов, осадок, углов, поворотов, колебаний).

При расчете на I гр. используют max расчетные нагрузки.

При расчете на II гр. используют max нормальные нагрузки.

Надежность от возникновения предельных состояний СК обеспечивается:

1. Возможными неблагоприятными характеристиками материалов

2. Неблагоприятными нагрузками

3. Выбор расчетной схемы ® к фактическому состоянию.

Условие I гр. предельных состояний.

N ≤ S

N – усилие возникающие в элементе от действия внешних сил.

S – предельное усилие, которое может воспринять элемент.

Значение N – опр. от расчетных нагрузок от комбинации неблагоприятных сил.

- усилие в элементе от действия норм. i – силы

- коэф. сочетания учитывающий вероятность одновременного действия сил.

- коэф. перегрузки учитывающий возможность отклонения нагрузки от своего нормального значения.

- коэф. надежности по назначению. Учитывает степень ответственности сооружения.

Значение S – несущая способность элемента зависит от геометрии сечения, расчетного сопротивления и условий работы элемента.

А – геометрическая характеристика сечения (площадь, , W )

R – расчётное сопротивление стали

- коэффициент условия работы.