4 Общие требования

4.1 Основными характеристиками нагрузок, установленными в настоящих нормах, являются их нормативные (базовые) значения.

При необходимости учета влияния длительности нагрузок, при проверке на выносливость и в других случаях, оговоренных в нормах проектирования конструкций и оснований, кроме того, устанавливаются пониженные нормативные значения нагрузок от людей, животных, оборудования на перекрытия жилых, общественных и сельскохозяйственных зданий, от мостовых и подвесных кранов, снеговых, температурных климатических воздействий.

4.2 Расчетное значение нагрузки следует определять как произведение ее нормативного значения на коэффициент надежности по нагрузке, соответствующий рассматриваемому предельному состоянию. Минимальные значения коэффициента надежности определяются следующим образом:

• а) при расчете по предельным состояниям 1-й группы – в соответствии с 7.2-7.4, 8.1.4, 8.2.2, 8.3.4, 8.4.5, 9.8, 10.12, 11.1.12, 12.5, 13.8;

• б) при расчете по предельным состояниям 2-й группы – принимаются равными единице, если в нормах проектирования конструкций и оснований не установлены другие значения.

4.3 В особых сочетаниях (см. 6.2) коэффициент надежности по нагрузке для постоянных, длительных и кратковременных нагрузок следует принимать равным единице, за исключением случаев, оговоренных в других нормативных документах.

4.4 Расчетные значения климатических нагрузок и воздействий (снеговые и гололедные нагрузки, воздействия ветра, температуры и др.) допускается назначать в установленном порядке на основе анализа соответствующих климатических данных для места строительства.

4.5 При расчете конструкций и оснований для условий возведения зданий и сооружений расчетные значения снеговых, ветровых, гололедных нагрузок и температурных климатических воздействий следует снижать на 20 %.

5 Классификация нагрузок

5.1 В зависимости от продолжительности действия нагрузок следует различать постоянные Р_d и временные (длительные Р_l, кратковременные Р_t, особые Р_s) нагрузки.

5.2 Нагрузки, возникающие при изготовлении, хранении и перевозке конструкций, а также при возведении сооружений, следует учитывать в расчетах как кратковременные нагрузки.

Нагрузки, возникающие на стадии эксплуатации сооружений, следует учитывать в соответствии с указаниями 5.3–5.6.

5.3 К постоянным Р_d нагрузкам следует относить:

• а) вес частей сооружений, в том числе вес несущих и ограждающих строительных конструкций;

• б) вес и давление грунтов (насыпей, засыпок), горное давление;

• в) гидростатическое давление.

Сохраняющиеся в конструкции или основании усилия от предварительного напряжения следует учитывать в расчетах как усилия от постоянных нагрузок.

5.4 К длительным Р_l нагрузкам следует относить:

• а) вес временных перегородок, подливок и подбетонок под оборудование;

• б) вес стационарного оборудования: станков, аппаратов, моторов, емкостей, трубопроводов с арматурой, опорными частями и изоляцией, ленточных конвейеров, постоянных подъемных машин с их канатами и направляющими, а также вес жидкостей и твердых тел, заполняющих оборудование;

• в) давление газов, жидкостей и сыпучих тел в емкостях и трубопроводах, избыточное давление и разрежение воздуха, возникающее при вентиляции шахт;

• г) нагрузки на перекрытия от складируемых материалов и стеллажного оборудования в складских помещениях, холодильниках, зернохранилищах, книгохранилищах, архивах и подобных помещениях;

• д) температурные технологические воздействия от стационарного оборудования;

• е) вес слоя воды на плоских водонаполненных покрытиях;

• ж) вес отложений производственной пыли, если не предусмотрены соответствующие мероприятия по ее удалению;

• з) пониженные нагрузки, перечисленные в 4.1;

• и) воздействия, обусловленные деформациями основания, не сопровождающимися коренным изменением структуры грунта, а также оттаиванием вечномерзлых грунтов;

• к) воздействия, обусловленные изменением влажности, усадкой и ползучестью материалов.

5.5 К кратковременным нагрузкам Р_t следует относить:

• а) нагрузки от оборудования, возникающие в пускоостановочном, переходном и испытательном режимах, а также при его перестановке или замене;

• б) вес людей, ремонтных материалов в зонах обслуживания и ремонта оборудования;

• в) нагрузки от людей, животных, оборудования на перекрытия жилых, общественных и сельскохозяйственных зданий с полными нормативными значениями, кроме нагрузок, указанных в 5.4, а, б, г, д;

• г) нагрузки от подвижного подъемно-транспортного оборудования (погрузчиков, электрокаров, кранов-штабелеров, тельферов, а также от мостовых и подвесных кранов с полным нормативным значением), включая вес транспортируемых грузов;

• д) нагрузки от транспортных средств;

• е) климатические (снеговые, ветровые, температурные и гололедные) нагрузки.

5.6 К особым Р_s нагрузкам следует относить:

• а) сейсмические воздействия;

• б) взрывные воздействия;

• в) нагрузки, вызываемые резкими нарушениями технологического процесса, временной неисправностью или поломкой оборудования;

• г) воздействия, обусловленные деформациями основания, сопровождающимися коренным изменением структуры грунта (например, при замачивании просадочных грунтов) или оседанием его в районах горных выработок и в карстовых;

• д) нагрузки, обусловленные пожаром;

• е) нагрузки от столкновений транспортных средств с частями сооружения.

Расчетные значения особых нагрузок устанавливаются в соответствующих нормативных документах или в задании на проектирование.

Принципы расчета металлических конструкций. Состояние конструкции, при котором она перестает удовлетворять предъявляемым к ней эксплуатационным требованиям, называется предельным.

Наши нормы расчета различают три предельных состояния конструкции:

а) первое предельное состояние — по несущей способности (прочности, устойчивости или выносливости материала), при достижении которого конструкция теряет способность сопротивляться внешним воздействиям или получает недопустимые остаточные изменения своей формы;

б) второе предельное состояние — по развитию чрезмерных деформаций от статических или динамических нагрузок, при достижении которого, в конструкции, сохраняющей прочность и устойчивость, появляются недопустимые деформации или колебания;

в) третье предельное состояние — по местным повреждениям (образованию или раскрытию трещин), при достижении которого появление в конструкции, сохраняющей прочность и устойчивость, трещин (или их раскрытие до определенной величины) делает дальнейшую эксплуатацию неудовлетворительной (вследствие потери требуемой водонепроницаемости, опасности коррозии, повреждения отделочного слоя и т. п.).

Расчетные предпосылки, принимаемые с учетом действительных условий поведения конструкций в предельных состояниях, а также основные расчетные величины (нагрузки, сопротивления) устанавливаются нормами расчета таким образом, чтобы сооружения не имели излишних запасов, но были бы обеспечены с практически необходимой гарантией от возникновения предельных состояний.

Основное требование норм расчета состоит в том, чтобы величины усилий (напряжений), деформаций (перемещений) и размеры трещин от учитываемых в расчетах внешних воздействий не превосходили предельных значений, характеризующих предельные состояния и определяемых нормативными документами — «Строительными нормами и правилами» (СНиП) и техническими условиями проектирования.

В соответствии с этим каждое из предельных состояний характеризуется предельным условием, выражающимся в том, что для возможности эксплуатации сооружения силовые факторы, действующие на сооружение или конструкцию, должны быть меньше предельной величины, ограничивающей возможность эксплуатации, а в предельном состоянии — равны этой величине.

Для первого предельного состояния предельное условие имеет вид 

(26)

где N — усилие в рассматриваемом элементе конструкции (функция нагрузок, действующих на сооружение);

Ф — предельное усилие, воспринимаемое материалом рассматривае­мого элемента и определяющее сопротивление элемента в зависимости от появления чрезмерно нарастающих деформа­ций (вообще говоря, пластических), при которых конструкция уже не может сопротивляться нагрузке (функция свойств мате­риала и размеров элемента). 

 

Для второго предельного состояния предельное условие имеет вид 

(27)

где  — деформация или перемещение конструкции в результате внешних воздействий на нее (функция нагрузок, материала и системы сооружения);

_пр—предельная деформация или перемещение, ограничивающие условия нормальной эксплуатации (функция назначения сооружения). 

Для третьего предельного состояния предельное условие имеет аналогичный вид 

(28)

где е—соответствующее раскрытие трещины. 

 

Ввиду того, что в металлических конструкциях появление трещин зависит не от силовых воздействий, развивающихся при эксплуатации сооружения, а от неправильностей технологии изготовления или монтажа (например, трещины при сварке), при расчете металлических конструкций третье предельное состояние не учитывается.

Расчет должен обеспечить возможность эксплуатации сооружений или конструкций на все время их существования. Для этого величина N неравенства (26) должна представлять собой возможное наибольшее за время эксплуатации сооружения усилие как функцию наибольших возможных за это время нагрузок. По этим нагрузкам производится расчет, поэтому они и называются расчетными нагрузками. Эти нагрузки зависят от крайне разнообразных условий работы сооружения и при случайных отступлениях от условий нормальной эксплуатации могут быть достаточно большими, а возможно, и большими, чем те нагрузки, которые установлены в нормах расчета в качестве основных характеристик внешних воздействий (так называемые нормативные нагрузки, отвечающие условиям нормальной эксплуатации сооружения).

 

Таким образом, величина расчетного усилия N может быть представлена в виде 

(29)

где    — нормативная нагрузка;

_i.—число влияния рассматриваемого элемента конструкции, отвечающее нагрузке P_i (усилие при Р_i = 1);

n_i—коэффициент перегрузки нагрузки Р_i , т. е. отношение наиболь­шей возможной за время эксплуатации конструкции нагрузки (расчетной) к нормативной нагрузке;

 — расчетная нагрузка. 

 

Тогда в соответствии с неравенством (26) получим 

(30)

 

Согласно указаниям норм, второе предельное состояние относится к условиям нормальной эксплуатации, и потому величину перемещения d определяют в функции нормативных нагрузок (без учета коэффициентов перегрузки).

 

В таком случае (поскольку при нормальной эксплуатации сооружение работает упруго) неравенство (27) может быть переписано так:

(31)

где _max — максимальное напряжение, возникающее в элементе конструкции от сочетаний нормативных нагрузок;

_т  - предел  текучести материала элемента конструкции.

Сжатые, растянутые элементы. Растянутые элементы. На растяжение работают нижние пояса ферм, затяжки арок и стержни других сквозных конструкций. При этом растягивающее усилие N действует вдоль оси элемента и во всех точках его поперечного сечения возникают растягивающие напряжения, которые с достаточной точностью считаются одинаковыми по величине.

Древесина работает на растяжение почти как упругий материал и показывает высокую прочность. Разрушение растянутых элементов происходит хрупко, в виде почти мгновенного разрыва наиболее слабых волокон по пилообразной поверхности.

Растянутые элементы должны иметь высшую, I категорию по качеству древесины. Прочность растянутых элементов в тех местах, где они ослаблены отверстиями или врезками, снижается дополнительно в результате концентрации напряжений у их краев. Это учитывается снижающим коэффициентом условий работы m_р = 0,8. При этом расчетное сопротивление растяжению получается равным R_p = 8 МПа. При наличии ослаблений в пределах длины 20 см в разных зонах сечений поверхность разрыва всегда проходит через них. Поэтому при определении ослабленной площади сечения Fнт все ослабления на этой длине суммируются, как бы совмещаются в одном сечении.

Сжатые элементы. На сжатие работают стойки, подкосы, верхние пояса и отдельные стержни ферм. В сечениях элемента от сжимающего усилия N, действующего вдоль его оси, возникают почти одинаковые по величине сжимающие напряжения. Древесина работает на сжатие надежно, но не вполне упруго.

Примерно до половины предела прочности рост деформаций происходит по закону, близкому к линейному, и древесина работает почти упруго. При дальнейшем росте нагрузки увеличение деформаций все более опережает рост напряжении, указывая на упругопластический характер работы древесины. Разрушение образцов происходит при напряжениях, достигающих 40 МПа, пластично в результате потери устойчивости ряда волокон, о чем свидетельствует характерная складка. Пороки меньше снижают прочность древесины при сжатии, чем при растяжении, и поэтому нормативное и расчетное сопротивления реальной древесины соответственно выше.

Сжатые элементы конструкций имеют, как правило, длину, намного большую, чем размеры поперечного сечения, и разрушаются не как малые стандартные образцы, а в результате потери устойчивости, происходящей раньше, чем напряжения сжатия достигнут предела прочности. При потере устойчивости сжатый элемент теряет несущую способность и выгибается в сторону. При дальнейшем выгибе на вогнутой стороне его появляются складки, свидетельствующие о разрушении древесины от сжатия. На выпуклой стороне волокна разрываются от, растягивающих напряжений, и элемент ломается. Только короткие, редко применяемые сжатые элементы разрушаются как малые стандартные образцы без потери устойчивости.

Виды соединения стальных элементов. Соединение элементов стальных конструкций на сварке может выполняться стыковыми, угловыми (валиковыми) и другими швами.

Стыковые швы осуществляются при соединении элементов, расположенных в одной плоскости, путем заполнения присадочным материалом пространства между элементами.

Стыковые швы применяются преимущественно в случае заводского изготовления конструкций.

В построечных условиях соединение   элементов   целесообразнее осуществлять накладками, приваренными к стыкуемым элементам угловыми швами.

Угловые швы для конструкций, работающих на статическую нагрузку, выполняются с равными катетами.

Максимальная высота валикового шва /гш < 1,5 8 при сварке с одной стороны и 1,0S при сварке с двух сторон в одном месте швами одной высоты

Минимальная высота валикового шва /im=4 мм.

Максимальная расчетная длина флангового (продольного) шва /ш = 60/гш -

Минимальная расчетная длина шва /ш=40 мм, но не менее 4/гш. Расстояние между шпонками прерывистых швов не должно превышать:

для сжатых элементов С = 15 8;

для растянутых элементов С = 30 Ь, где8—толщина более тонкого элемента.

Крепление уголков должно производиться с учетом несимметричности их центра тяжести по отношению к полке уголка.

Классификация сварных швов. Сварные швы подразделяются по виду сварного соединения и геометрическому очертанию сечения шва на стыковые и угловые. Стыковой шов характеризуется шириной (b) и усилением Лв, глубиной провара hn, угловой — Катетом К, шириной В, толщиной Н. Стыковые швы применяют для выполнения стыковых, торцовых, отбортованных, а иногда и угловых соединений. Угловые швы применяют в нахлесточных, тавровых и угловых соединениях. Размеры сечения швов установлены ГОСТ 5264—69.

По форме наружной поверхности стыковые швы могут быть плоские или выпуклые. Угловые швы могут выполняться и вогнутыми. Сварные соединения с выпуклыми швами лучше работают на статическую нагрузку, чем соединения с плоскими или вогнутыми швами. Однако швы со слишком большой выпуклостью вследствие большого количества наплавленного металла неэкономичны. Стыковые соединения с плоскими швами и угловые, тавровые и нахлесточные соединения с вогнутыми швами лучше работают на динамическую или знакопеременную нагрузку, чем соединения с выпуклыми швами. Это объясняется тем, что при плоских и вогнутых швах нет резких переходов от основного к наплавленному металлу, в которых имеется концентрация напряжений и от которых может начаться разрушение соединения. В соответствии со стандартом допускается выпуклость шва при нижней сварке до 2 мм и не более 3 мм для швов, выполненных в остальных положениях. Вогнутость допускается во всех случаях не более 3 мм.

По положению в пространстве различают швы нижние, вертикальные, горизонтальные и потолочные.

Классификация сварных швов по геометрическому очертанию сечения

Сварка нижних швов наиболее удобна, легко поддается меха низации. Наиболее сложен и труден потолочный шов, выполне ние которого требует специальной тренировки. Выполнение гори зонтальных и вертикальных швов на вертикальной плоскости не сколько труднее, чем нижних, но легче потолочных. Вертикаль ные, горизонтальные и потолочные швы в большинстве случаев применяют в строительстве и монтаже крупных сооружений и значительно реже — в заводских условиях, где с помощью приспособлений удается почти полностью сваривать конструкцию только в нижнем положении. Многие сварщики высокой квалификации выполняют вертикальные швы с лучшим качеством, чем нижние, так как в этом случае из сварочной ванны легче удаляются загрязнения и металл шва становится чище, плотнее и прочнее.

Классификация сварных швов: а — по положению в пространстве, б — по протяженности, е — по отношению к направлению действующих усилий, г — по форме наружной поверхности

По отношению к направлению действующих усилий швы подразделяются на фланговые (боковые) и продольные, оси которых параллельны направлению усилия; лобовые, оси которых перпендикулярны к направлению усилия; комбинированные и косые.

По протяженности различают швы сплошные и прерывистые. Прерывистый шов может быть цепным или шахматным. Цепной шов представляет собой двусторонний прерывистый шов таврового соединения, в котором участки сварки и промежутки расположены по обеим сторонам стенки один против другого. Шахматный шов — двусторонний прерывистый шов таврового соединения, в котором промежутки на одной стороне стенки расположены против сваренных участков шва на другой стороне. Расстояние от начала проваренного участка шва до начала следующего участка называется шагом шва. Прерывистые швы применяют в соединениях, не требующих герметичности (непроницаемости) и когда сплошные швы слабо нагружены. Сварные соединения со сплошными швами лучше выдерживают знакопеременную нагрузку и меньше поддаются коррозии, чем соединения с прерывистыми швами. Особо ответственные сварные изделия, как правило, выполняются со сплошными швами.

По условиям работы швы подразделяются на рабочие, воспринимающие внешние нагрузки, и связующие (соединительные швы), предназначенные только для скрепления частей изделия. Связующие швы часто называют нерабочими швами.

Болтовые соединения.Болтовые соединения повсеместно применяются при ведении монтажных работ, которые не предполагают использование услуг по сварке. Основной тип болтовых соединений - соединение на накладках или внахлестку. В основном в строительстве применяют многоболтовые соединения.

По принципу работы болтовые соединения можно разделить на следующие типы: соединения, в которых отсутствует или возникает сдвиг между соединяемыми элементами. К первому типу соединений относят крепление на болтах повышенной, нормальной и грубой точности, ко второму - крепление на высокопрочных болтах. Различия между болтами первого вида заключается в различных требованиях к точности производства и способам образования отверстий.

Прочность болтовых соединений зависит как от типа болтов, материала из которого изготовлены они и соединяемые конструкции, так и от метода образования отверстий. Выделяют три способа их образования: сверление, при котором обеспечиваются гладкие края отверстий, продавливание в прессах можно назвать более технологичным методом и продавливание с последующим рассверливанием до необходимого диаметра. Следует отметить, что при использовании метода продавливания в прессах на поверхности изделия появляются заусенцы, наклепы и надрывы металла.

Болты грубой точности производят с допуском по диаметру до ±1 миллиметра и крепят в отверстия с зазором не более 3 мм. В болты нормальной точности допускается наличие отклонения от номинального диаметра до -0,52 миллиметров. В данном случае диаметр отверстий для принимается на 2 мм больше, чем номинального диаметра болтовых соединений. Соединения получаются деформативными. Благодаря наличию зазоров болты достаточно легко монтируются даже при различии центров отверстий. Учитывая этот фактор болты нормальной и грубой точности в основном используют как временные фиксирующие изделия в различных сварных соединениях или как постоянные для установки и закрепления второстепенных конструкций. Данные конструкции производят из стали, при небольших усилиях в креплении они обладают пределом текучести до 380 МПа.

При изготовлении болтов повышенной точности допуском по диаметру может достигать до -0,3 мм и монтируется в отверстия с зазором до 0,5 миллиметра. Отверстия данного типа можно получить сверлением трех видов. Сверлением по кондукторам, на проектный диаметр, а так же сверление или продавливание меньшего диаметра отверстия с дальнейшим рассверливанием до необходимого размера. Соединения, полученные в следствие использования данных болтов отлично работают на сдвиг за счет высокой плотности установки в отверстиях. Следует отметить, что из-за сложности в обеспечении совпадения отверстий болты повышенной прочности в настоящее время применяются не часто, их вытесняют высокопрочные аналоги.

Наиболее часто используются болты диаметром равным 12-24 мм с градацией 2 мм, которые относятся к классу прочности 4.6 или 5.6. Такие болты используются для скрепления блок хауса. Их длина составляет 40-200 миллиметров. Соединения и крепления на болтах грубой, нормальной и повышенной точности в основном работают на сдвиг и достаточно редко на растяжение. При применении методики сдвига все усилия направляются со стенок отверстия на болт. Процесс сдвига в различных соединениях приводит к перерезыванию болта по площадкам среза и последующему смятию стенок отверстия по поверхности их соприкосновения со стержнем болта.

В последнее время более актуальным становиться использование высокопрочных болтов. Такая технология используется при производстве технологических поддонов. Соединения, полученные благодаря применению данных изделий отличаются тем что прочность конструкции за счет крепления достигается благодаря трению между поверхностью сплачиваемых элементов.

Монтаж болтов осуществляется специализированным оборудованием – механическими ключами с динамометром. Данное устройство позволяет контролировать уровень напряжения болтовых соединений. Важным моментом при использовании высокопрочных болтов является повышения коэффициента трения плоскостей. Это возможно достичь благодаря предварительной чистке и обработке соединяемых поверхностей различными способами. Наиболее эффективным является технология химической и пневматической обработки, при которых возможно вдвое увеличить уровень трения. Так же применяют методы механической и ручной обработки, обработки растворами кислот или песком.