Госстрой СССР

СОЮЗМЕТАЛЛОСТРОЙНИИПРОЕКТ

Центральный ордена Трудового Красного
Знамени научно-исследовательский и проектный
институт строительных металлоконструкций
имени Н.П. Мельникова

ЦНИИПРОЕКТСТАЛЬКОНСТРУКЦИЯ им. Мельникова

УТВЕРЖДАЮ

Директор института

В.В. Кузнецов

«___» _________ 1987 г.

РУКОВОДСТВО
ПО ПОДБОРУ СЕЧЕНИЙ ЭЛЕМЕНТОВ
СТРОИТЕЛЬНЫХ СТАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

ЧАСТЬ 2

Москва - 1987

Руководство по подбору сечений элементов строительных стальных конструкций, часть 2. М., ЦНИИпроектстальконструкция им. Мельникова, 1987.

В Руководстве приведены данные по расчету балок и настилов технологических площадок и перекрытий, а также вспомогательные таблицы для подбора сечений.

В составлении Руководства принимали участие инженеры П.И. Суздалов, В.И. Мейтин, С.Д. Курина.

Руководство предназначено для инженерно-технических работников проектных организаций.

Все замечания и предложения направлять по адресу: г. Москва, 11393, ул. архитектора Власова, 49, технический отдел института.

1. БАЛКИ

Нагрузки на технологические и рабочие площадки

1.1. Значения нагрузок для расчета площадок принимаются, за исключением атмосферных нагрузок, по технологическим заданиям. При этом нагрузки не должны быть меньше нагрузок, оговоренных в [3].

1.2. При опирании на балки площадок технологического оборудования нагрузку от отдельных агрегатов, аппаратов следует считать распределенной на 0,5n точек (где n - количество опорных узлов аппарата) в виду возможной неравномерности передачи нагрузки вследствие погрешностей изготовления и монтажа.

1.3. При проектировании технологических площадок, особенно рабочих с нагрузками более 5 кН/м², следует при обязательном согласовании с технологическими организациями вводить понижающие коэффициенты при сборе нагрузок на главные балки и стойки площадок. Понижающие коэффициенты при этом могут быть определены в соответствии с [3].

Конструирование и расчет площадок

1.4. Конструкция балочных клеток зависит от расположения технологического оборудования и вида настила. Основными критериями при этом являются экономия металла, минимальная трудоемкость изготовления и монтажа.

1.5. При металлическом настиле площадки шаг второстепенных балок, поддерживающих настил, следует назначать, исходя из условия полного использования несущей способности настила, и выполнять конструкцию площадки, как правило, блочно-щитового типа.

1.6. С целью упрощения монтажа при отсутствий ограничений по габариту перекрытий следует предусматривать этажное опирание второстепенных балок на главные балки. При опирании второстепенных балок на главные в одном уровне должна быть обеспечена возможность заводки второстепенных балок между главными и главных балок между колоннами.

1.7. При значительных сосредоточенных нагрузках, например от автопогрузчиков, настил рабочих площадок следует выполнять в виде ортотропной плиты. Расчет настила на прочность и устойчивость можно производить с учетом рекомендаций [7].

1.8. При выполнении настила перекрытия из сборных железобетонных плит наиболее целесообразным является применение плит с пролетом, равным шагу балок перекрытия с этажным опиранием плит на балки. Применение укороченных железобетонных плит перекрытия с опиранием их на балки в одном уровне приводит к значительному усложнению конструкции балок и к перерасходу металла. В этом случае с целью облегчения балок перекрытия следует предусматривать замоноличивание сборного перекрытия, создание неразрезной плиты перекрытия, что позволяет облегчить балки за счет передачи крутящего момента от односторонней временной нагрузки на плиты перекрытия (см. черт. 1).

Черт. 1. Узел опирания укороченных сборных железобетонных плит перекрытий на балку

1 - приварка плиты к арматуре и столику; 2 - арматура для передачи крутящего момента

1.9. При выполнении монолитного железобетонного перекрытия по отдельным балкам, а также при замоноличивании перекрытия на сборных железобетонных плит нагрузки на балки перекрытия следует определять с учетом неразрезности перекрытия.

1.10. При этажном опирании железобетонных ребристых плит, а также второстепенных балок на главные балки следует выполнять проверку верхних полок главных балок на отгиб при отсутствии в главной балке подкрепляющего ребра непосредственно под ребром железобетонной плиты или под второстепенной балкой.

При отсутствии подкрепляющих ребер в главной балке также следует проверять ее стенку на местное смятие.

Типы балок и компоновка сечений составных балок

1.11. Прокатные балки принимают из двутавров или швеллеров, причем для применения рекомендуются наиболее экономичные профили, имеющие минимальную толщину стенки. Сварные балки, как правило, следует проектировать в виде двутавров из трех листов.

Предельная высота балок определяется габаритом железнодорожных перевозок. Как правило, следует избегать устройства продольных монтажных стыков балок.

1.12. При пролетах балок более 12 м в целях уменьшения веса балки рекомендуется изменять сечение балки в соответствии с огибающей эпюрой моментов. При этом следует назначать не более двух стыков в одном пролете. Изменение сечения балок, как правило, производится за счет изменения ширины (толщины) поясов и стенки балок. При необходимости можно также изменять высоту балки по ее длине, если это экономически оправдано, так как изготовление балок переменной высоты более трудоемко.

В конструктивном отношении балки должны удовлетворять требованиям пунктов 13.24 - 13.28 [1].

Подбор сечения балок

1.13. При подборе сечений балок на действие изгибающего момента и поперечной силы необходимо обеспечить согласно [1]:

а) прочность балок в соответствии с п. 5.12 - 5.14, 5.17 - 5.23;

б) относительные прогибы балок в соответствии с пунктом 13.1;

в) общую устойчивость балок согласно п. 5.15; 5.16;

г) местную устойчивость стенки и поясов согласно разделу 7;

д) выносливость балок, в которых могут возникать явления усталости в соответствии с требованиями раздела 9;

е) прочность с учетом хрупкого разрушения в соответствии с разделом 10.

1.14. Подбор сечений балок на прочность с учетом упругой работы материала рекомендуется производить с помощью таблиц Приложения 1:

двутавровые балки по ГОСТ 26020-63 - табл. 1;

балки из швеллеров по ГОСТ 8240-72 и двутавров по ГОСТ 8239-72 - табл. 2;

сварные балки высотой от 800 до 3200 мм - табл. 3.

В таблицах приведены также данные по расчету балок по второму предельному состоянию по условию прогиба. Приведены также величины l_ef по табл. 8 [1], при которых не требуется проверки балок на общую устойчивость.

1.15. Подбор сечений двутавровых балок по ГОСТ 26020-63 с учетом развития пластических деформаций рекомендуется производить с помощью таблиц Приложения 2.

1.16. Сечения ребер жесткости балок как односторонних, так за двусторонних приведены в таблицах Приложения 4.

Сечения опорных ребер жесткости для разрезных и неразрезных балок также приведены в таблицах Приложения 4.

Расчет балок с учетом кручения

1.17. Касательные напряжения в элементах открытого сечения, подвергаемых свободному кручению, определяются по формуле

                                                            (1)

где:  - крутящий момент;

 - момент инерции кручения балки;

 - толщина стенки.

1.18. Напряжения в элементах открытого сечения, подвергаемых стесненному кручению, определяются по формулам

                                                       (2)

                                           (3)

где:  - нормальные напряжения от кручения;

 - касательные напряжения от кручения;

 - изгибно-крутящий момент в кН·м², Н·см²;

 - изгибно-крутящий момент в кН·м, Н·см;

1.19. Прочность элементов открытого сечения, подвергаемых изгибу и кручению, проверяется по формулам:

                                               (4)

                                              (5)

1.20. Определение бимоментов и крутящих моментов следует выполнять по формулам, приведенным в [4] с учетом закреплений по п. 1.19. Секториальные геометрические характеристики прокатных двутавровых балок и швеллеров приведены в приложении 3.

1.21. Следует подразделять два типа закрепления:

1. Опора, закрепляющая от закручивания, но не препятствующая свободной депланации.

2. Опора, закрепляющая от закручивания и депланации.

Условные обозначения опор (см. черт. 2).

Опоре типа 2 соответствует только жесткое крепление балок на опоре с перекрытием полок и опора по (черт. 3) при наличии жесткого диска перекрытия, приваренного к балке. Большинство других опираний балок являются промежуточными между опорами типа 1 и 2.

1.22. При невозможности избежать кручения балок необходимо принимать конструктивные меры по увеличению жёсткости на кручение. Наличие рёбер жёсткости, а также уменьшение расстояния между ними несущественно влияет на жёсткость балки. Согласно [4] для сварных двутавровых балок при определении момента инерции при кручении по формуле [7] может быть рекомендован коэффициент α = 1,5. Более эффективным средством увеличения жёсткости балки является установка плиток, соединяющих верхний и нижний пояс балки. Варьируя расстояния между планками можно приблизить сечение балки к коробчатому.

2. ЛИСТОВЫЕ НАСТИЛЫ ПЛОЩАДОК

Расчет сечения настила площадок

2.1. Листовые настилы рассчитываются как шарнирно или жестко опертые на опоры пластинки (жесткие, гибкие или абсолютно гибкие мембранные). Соотношение между работой настила на изгиб и растяжение зависит от толщины листа и величины его деформаций под действием поперечной нагрузки:

а) пластинка считается жесткой, если при ее деформации под действием поперечной нагрузки можно пренебречь напряжениями растяжения в срединной поверхности. Пластинки относятся к жестким, если величина стрелы прогиба при изгибе не превышает 1/5 толщины. Другим критерием жесткой пластинки может служить отношение пролета к толщине; при  < 50 пластинка считается жесткой;

б) пластинка считается абсолютно гибкой или мембранной, если ее прогиб превышает толщину в 5 раз и более. При расчете мембраны можно пренебречь собственными изгибными напряжениями по сравнению с напряжениями в срединной плоскости. Другим критерием мембраны может служить отношение пролета к толщине; при  > 300 пластинка считается мембраной;

в) гибкой называют пластинку, при расчете которой наряду с изгибными напряжениями необходимо учитывать цепные напряжения от распора или мембранные усилия. Для гибких пластинок напряжения изгиба и цепные напряжения являются величинами одного порядка.

2.2. Приваренный к балкам сплошной листовой настил с закрепленными от взаимного сближения кромками, работает на изгиб и растяжениями как гибкая пластинка. Если одна из сторон прямоугольной пластинки имеет значительно большую длину, чем другая сторона (для практических целей  ≥ 2), то при расчете такой пластинки можно пренебречь изгибом в направлении длинной стороны и свести задачу к случаю цилиндрического изгиба вдоль короткой стороны пластинки.

2.3. Как правило в справочниках и монографиях таблицы для расчета пластинок приводятся с защемленными или шарнирно-опертыми кромками (черт. 4). Правда, в сборнике статей «Расчет пространственных конструкций» Выпуск VIII, М., Госстройиздат, 1962, Лейтесом С.Д. приведен график несущей способности пластинки с защемленными кромками при расчете пластических деформаций на опоре для стали с пределом текучести σ_τ = 2400 кгс/см². Однако пользование этими таблицами невозможно при применении марок стали с другими пределами текучести.

Черт. 4. Расчетные схемы пластинок

схема 1 - шарнирно закрепленные кромки, схема 2 - защемление кромки.

С достаточной для практики точностью расчет пластинки с учетом развития пластических деформаций на опорах может производиться путем принятия средних значений величин несущей способности по прочности или прогибу в середине пролета для пластинки с шарнирными и защемленными кромками.

Поскольку случай пластинки с шарнирно закрепленными кромками является исключительным, то подбор сечения пластинки производят, принимая максимальную несущую способность пластинки для схемы с учетом упругопластических деформаций. Однако в тех случаях, когда решающим является прогиб, иногда целесообразнее производить подбор сечения по схеме пластинки с защемленными кромками.

2.4. При расчете настила с учетом цепных напряжений следует предусмотреть восприятие усилий от распора в крайних панелях в соответствии с черт. 5.

Черт. 5. Восприятие распора настила площадок в крайних панелях

Заштрихованный на черт. 5а блок, состоящий из балок Б1, настила и ребер Р1, должен быть рассчитан с учетом распорных сил от настила. Ребра Р1 в этом случае следует вварить в балки Б1. В соответствии с аналогичными соображениями для случая, изображенного на черт. 5б, следует устанавливать ребра Р2.

Настилы площадок без ребер при одно- и двухпролетной схемах настила должны рассчитываться на изгиб без учета цепных напряжений.

При равномерно распределенной нагрузке от людей или материалов, которые, как правило, не располагаются равномерно по площади всей площадки, цепные усилия гасятся внутри площадки и ими можно пренебречь.

2.5. Подбор сечения настилов и ребер жесткости можно производить с помощью таблиц Приложения 6.

3. СКВОЗНЫЕ НАСТИЛЫ ПЛОЩАДОК

3.1. К сквозным настилам относятся настилы из просечно-вытяжной стали по ГОСТ 8706-78, решетчатые настилы типа «Батайск» по ТУ 36-2044-77 и типа «ВИСП» по ТУ 36-2370-82, а также-штампованные настилы.

3.2. Решетчатые настилы имеют малую металлоемкость и значительные эксплуатационные преимущества для производств с большим пылевыделением, так как позволяют отказаться от уборки пыли по промежуточным перекрытиям. Исходя из этого, при прочих равных условиях, следует отдавать предпочтение решетчатым настилам и применять площадки и лестницы по ГОСТ 23120-78 и соответствующим типовым сериям.

3.3. Величина нагрузки на решетчатые настилы в зависимости от пролета (ширины) приведена в табл. 1.

Таблица 1

3.4. Данные для подбора сечения просечно-вытяжного настила по ГОСТ 8706-78 приведены в Приложении 6.

3.5. Кроме указанных видов настила существуют решётчатые настилы для цехов металлургической промышленности. Конструкция и требуемые типы настилов в зависимости от пролёта настила и нагрузок приведены в табл. 2.

Таблица 2

Решетчатый настил

4. ОПОРНЫЕ УЗЛЫ БАЛОК И МОНТАЖНЫЕ СТЫКИ НА ВЫСОКОПРОЧНЫХ БОЛТАХ

4.1. Различные узлы шарнирного и рамного решения крепления балок перекрытий разработаны в типовой серии 2.440-1, узлы стальных конструкций производственных зданий. Выпуск 1. Рамные и шарнирные узлы балочных клеток и примыкания ригелей к колоннам. Чертежи КМ.

4.2. Расчет на прочность, монтажных стыков балок на высокопрочных болтах следует выполнять в соответствии с пунктом 11.14 [1] (черт. 6) и рекомендациями п. 3.3 и 3.4.

4.3. Расчет болтов стыка полок элементов выполняется по несущей способности основного сечения [N]n по первому ряду болтов с учетом ослабления (если оно учитывается) в соответствии с пунктом 11.13 [1].

Расчет болтов стыка стенок балок производится на действие следующих усилий:

а) на поперечную силу в месте стыка Q

                                                                (6)

б) на нормальную силу в элементе (если она имеется)

                                                               (7)

в) на больший из моментов M₁ = QL или

                                                             (8)

Суммарное усилие на 1 болт составляет

                                       (9)

В формулах приняты следующие обозначения:

A и A_w - площади сечений балки и стенки;

J и J_w - моменты инерции балки и стенrи;

М_в - изгибающий момент, действующий в месте стыка балки;

l - расстояние между центрами болтовых соединений полунакладок;

m - количество рядов болтов в стенке каждого монтажного элемента;

n - общее число болтов на полунакладке в стыке стенки;

k - число поверхностей трения;

Q_bh - предельное усилие, которое может быть воспринято одной поверхностью трения.

Черт. 6. Монтажный стык балок на высокопрочных болтах

4.4. Расчет накладок поясов выполняется по несущей способности основного сечения по первому ряду болтов с учетом ослабления (если оно учитывается).

Площади сечения наружной и внутренних накладок подбираются таким образом, чтобы обеспечить восприятие не менее 50 % усилия, равного несущей способности пояса балки отдельно наружной и внутренними накладками.

4.5. Расчет накладок по стенкам балок следует выполнять, исходя из равнопрочности стенки балки по первому ряду болтов и накладок по (n + 1) ряду болтов.

Расчетный момент на накладку определяется по формуле

                                                       (10)

при этом должно быть выполнено условие:

J_n+1 ≥ J_w1 и

A_n+1 ≥ A_w1,

где: J_w1, J_n+1, A_w1, A_n+1 - моменты инерции и площади стенки и накладки с учетом полного ослабления отверстиями под болты.

                                                         (11)

где: d - диаметр отверстия под болт;

m₁ - количество болтов в 1-ом ряду

                                                    (12)

Расчет характеристик накладок производится аналогично расчету стенки балки.

4.6. Расчет стыков балок можно производить с помощью таблиц Приложения 5.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Предельные усилия прокатных и сварных балок при φ_в = 1

В табл. 1, 2 приложения приведены:

предельные значения нормативных моментов при пролетах балок l = 6 м и относительных прогибах балок к пролету f/l = 1/250 и f/l = 1/400 для статически определимых балок на двух опорах, нагруженных равномерно распределенной нагрузкой, определяемые по формуле

где: l - пролет балки принят равным 6 м;

(f/l) - относительный прогиб балки (к пролету l);

Наибольшие значения l_ef по табл. 8 [1], при которых не требуется расчета на устойчивость, определяемые l_ef1 - по формуле 35 [1], и l_ef2 - по формуле 36 [1], и l_ef3 - по формуле 37 [1] при R_y = 235 МПа.

Предельные значения M_n и Q_n для балок из различных марок стали по формулам (28) и (29) [1] при γ_c = 1 и γ_b = 1.

При пролетах, отличных от 6 м, нормативный момент может быть определен по формуле

где:  - нормативный момент, определенный по таблице;

l - пролет балки в м.

Подбор сечений балок при φ_b ≠ 1 производится с учетом коэффициентов φ_b.

В табл. 3 приведены геометрические характеристики и предельные усилия по условиям прочности и прогиба для сварных балок.

Материал балок - сталь марки 09Г2С.

При вычислении предельных моментов расчетные сопротивления по [1] определялись с учетом толщины поясов балок, при вычислении предельных поперечных сил с учетом толщины стенок. Значения поперечных сил вычислены по формулам:

Q₁ = h_w1t_wR_s/1,5

(с учетом выреза стенок h_w1 = h_w - 150 мм);

(формула 29 по [1]).

При других марках стали усилия могут быть определены по формулам

 и

где: М_T и Q_T - табличные значения предельных моментов и поперечных сил;

М₁ и Q₁ - то же, для других марок стали;

R_Y1 и R_S1 - расчетные сопротивления марки стали, принятой в расчете.

Предельные значения нормативных моментов вычислены при отношении f/l = 1/400 и пролетах 12 м - для балок высотой до 2000 мм, 24 м - для балок высотой более 2000 мм.

Пример 1.

Требуется подобрать сечение балки пролетом 6 м, нагруженной равномерно распределенной нагрузкой из стали марки 09Г2С-6 при φ_δ = 1.

Расчетный момент М = 2490 кН·м. Нормативный момент М^Н = 2100 кН·м. Опорная реакция А = 1660 кН. Предельный относительный прогиб f/l = 1/400.

По табл. 1 находим сечение балки 100Б1 и предельные усилия М_n = 2610 кН·м > 2490 кН·м, М^Н = 3675 кН·м > 2100 кН·М, Q_n = 2290 кН > 1600 кН.

Пример 2.

Требуется подобрать сечение балки пролетом 8 м, нагруженной равномерно распределенной нагрузкой из стали марки ВСт3пс6 при φ_δ = 1.

Расчетный момент М = 180 кН·м. Нормативный момент М^Н = 150 кН·м. Опорная реакция Q = 90 кН. Предельный относительный прогиб f/l = 1/250.

По табл. 1 принимаем сечение 1 40Б1. Табличные значения М_n = 189 кН·м > 180 кН·м, Q_n = 330 кН > 90 кН. Прочность балки обеспечена.

Для l = 6 м М^Н = 208 кН·м, то же для l = 8 м. М^Н = 208,6/8 = 156 кН·м > 150 кН·м. Оставляем принятое сечение балки.

Балка из двутавров по ГОСТ 36020-83

Таблица 1

В прямоугольники включены усилия для профилей, включённых в сокращённый сортамент.

Балки из швеллеров по ГОСТ 8240-72 и двутавров по ГОСТ 8239-72

Таблица 2

Со звёздочкой - приведены данные для Вст3сп5

В прямоугольники включены усилия для профилей, включенных в сокращенный сортамент

Таблица 3

Геометрические характеристики и предельные усилия сварных балок двутаврового сечения

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Данные для расчета балок с учетом развития пластических деформаций

В табл. 1 приведены моменты сопротивления для двутавров по ГОСТ 26020-83 с учетом коэффициентов, учитывающих развитие пластических деформаций С₁, С_X и С_Y по п. 5.18 [1]. Значения W_X и W_Y вычислены при следующих отношения τ/R_S:

τ/R_S = 0 - при наличии зоны чистого изгиба;

при τ/R_S ≤ 0,5 и при 0,5 ≤ τ/R_S ≤ 0,8 с интервалом 0,1 при одновременном действии в сечении момента М и поперечной силы Q. Промежуточные значения W_X и W_Y при 0,5 < τ/R_S ≤ 0,8 могут быть определены по линейной интерполяции.

При τ = 0,9R_S все значения коэффициентов С₁, С_X и С_Y получаются меньше единицы и поэтому в таблицах не приводятся..

Значения W_Y = C_Y · W_Yn в интервалах 0,5 < τ/R_S ≤ 0,8 приведены для случая изгиба балки только в плоскости наименьшей жесткости.

Таблица 1

Моменты сопротивления для двутавров по ГОСТ 26020-83 при расчетах о учетом коэффициентов С₁, С_X и С_Y (п. 5.18 [1])