Стальные строительные конструкции. Расчёт, проектирование, термостойкость

А. В. Титенок 
СТАЛЬНЫЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ  
КОНСТРУКЦИИ 
РАСЧЁТ, ПРОЕКТИРОВАНИЕ, ТЕРМОСТОЙКОСТЬ 
Учебное пособие 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2022 

УДК 624.014 
ББК 38.54 
Т45 
Рецензенты: 
доктор технических наук, профессор, проректор по перспективному 
развитию Брянского государственного технического университета  
А. В. Киричек; 
генеральный директор ООО «Техпромстрой» А. П. Трибушинин 
Т45 
Титенок, А. В.  
Стальные строительные конструкции. Расчёт, проектирование, 
термостойкость : учебное пособие / А. В. Титенок. - Москва ; Вологда : 
Инфра-Инженерия, 2022. - 216 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1054-0
Рассмотрены принципы расчёта и проектирования основных элементов 
стальных строительных конструкций, а также типового проекта стального 
каркаса промышленного здания. Приведены данные о методах расчёта термостойкости стальных конструкций зданий и сооружений во время пожара. 
Для студентов строительных направлений всех форм обучения. 
УДК 624.014 
ББК 38.54 
ISBN 978-5-9729-1054-0 
” Титенок А. В., 2022 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2022 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022 

ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие……………………………………………………….
6
Глава 1. Общие сведения о строительной стали…………………………
7
1.1. Механические характеристики строительной стали ……...
7
1.2. Классификация строительной стали ………………………..
13
1.3. Упругая и пластическая работа стали в конструкции ……
15
Контрольные вопросы к главе 1…………………………………….
18
Глава 2. Общие сведения о стальных строительных конструкциях ……
19
2.1. Достоинства и недостатки стальных конструкций …….........
19
2.2. Классификационные признаки стальных конструкций ….
21
2.3. Сортамент для стальных конструкций ……………………...
23
2.4. Общие технические требования к стальным конструкциям
25
2.5. Предельные состояния стальных конструкций
и нормативные расчётные нагрузки…………………………….
27
Контрольные вопросы к главе 2………………………………………
30
Глава 3. Работа под нагрузкой и расчёт
элементов стальных конструкций……………………………….
31
3.1. Сжатые элементы ……………………..................................
31
3.2. Растянутые элементы…………………………………………
35
3.3. Изгибаемые элементы……………………………………….
35
3.4. Работа стержня при кручении………………………………
39
Контрольные вопросы к главе 3………………………………………
42
Глава 4. Соединения элементов стальных конструкций..……………….
43
4.1. Сварные соединения………………………………………….
43
4.2. Общие особенности работы сварных соединений………….
45
4.3. Рекомендации по сборке конструкций для сварки………..
57
4.4. Рекомендации по сварочным работам ……………………...
59
4.5. Заклёпочные и болтовые соединения………………………..
60
4.6. Рекомендации для изготовления конструкций 
с болтовыми соединениями……………………………………….
65
4.7. Рекомендации по защите соединений конструкций 
от коррозии ………………………………………………………..
67
Контрольные вопросы к  главе 4……………………………………..
70
Глава 5. Стойки и колонны…………………………………………………
71
5.1. Типы поперечных сечений стоек…………………………….
71
5.2. Устойчивость стоек со сплошными 
поперечными сечениями………………………………………….
72
5.3. Прочность и устойчивость стоек 
с составными поперечными сечениями…………………………
76
5.4. Соединительные элементы стоек……………………………
77
5.5. Стыки стоек…………………………………………………..
80
5.6. Базы и оголовки стоек……………………………………….
81
5.7. Примеры стоек……………………………………………….
81
3 

5.8. Колонны………………………………………………………
83
5.8.1. Назначение колонн……………………………………
83
5.8.2. Расчёт сечения центрально-сжатых колонн………….
85
5.8.3. Расчёт сечения внецентренно-сжатых колонн……….
87
5.8.4. Конструкция оголовков колонн……………………...
87
5.8.5. Конструкция баз колонн………………………………
88
5.8.6. Рекомендации для проектирования баз колонн……
92
5.8.7. Рекомендации для проектирования стержня колонны
94
5.8.8. Рекомендации для проектирования стыков колонн..
96
Контрольные вопросы к главе 5…………………………………….
98
Глава 6. Балки………………………………………………………………..
99
6.1. Общие сведения о балках…………….................................
99
6.2. Общая устойчивость балок………………………………….
100
6.3. Местная устойчивость элементов балок ………………........ 101
6.4. Порядок расчёта и выбора сечения прокатных балок ……..
106
6.5. Пример расчёта и конструирования балки ...……………….
111
6.6. Рекомендации для проектирования балок..........................
119
6.6.1. Выбор сечения балок и проектирование 
балочных клеток ……………………………………………..
119
6.6.2. Шарнирная основа балок на колоннах…………………….
121
6.6.3. Жёсткая основа балок на колоннах…………………………
122
6.6.4. Соединения балок ………………………………….....
124
6.6.5. Узлы балок для коммуникаций…………………………….
124
Контрольные вопросы к главе 6…………………………………….
125
Глава 7. Решётчатые конструкции (фермы)……………………..............
126
7.1. Типы ферм…………………………………………………….
126
7.2. Определение нагрузок и усилий в стержнях…….………..
127
7.3. Поперечные сечения стержней……………………………..
127
7.4. Узлы ферм….........................................................................
131
7.5. Специальные конструкции ферм ………………………….
134
7.6. Стыковые соединения поясов ферм………………………..
137
7.7. Пример расчёта фермы……………………………………..
140
Контрольные вопросы к главе 7…………………………………….
143
Глава 8. Типовой стальной каркас производственного здания…………
144
8.1. Основные расчетные положения 
при проектировании каркасов……………………………………. 144
8.2. Компоновка поперечной рамы цеха……………………….
145
8.3. Компоновка конструкций покрытия……………………….
147
8.4. Система связей каркаса промышленного здания…………
152
8.5. Расчет и конструирование подкрановых балок…………..
154
8.6. Нагрузки на стропильную ферму………………………….
162
8.7. Нагрузки на раму цеха………………………………………
165
8.7.1. Постоянные нагрузки…………………………………
165
4 

8.7.2. Снеговая нагрузка……………………………………
167
8.7.3. Ветровая нагрузка…………………………………….
167
8.7.4. Нагрузка от мостовых кранов………………………
170
8.8. Определение приближенных значений жесткостей 
сечений подкрановой и надкрановой частей колонн………….
172
8.9. Учет пространственной работы каркаса 
при расчете поперечных рам…………………………………….
173
8.10. Определение внутренних усилий в колоннах
от постоянной и снеговой нагрузок…………………………….
177
8.11. Определение внутренних усилий в колоннах 
от ветровой нагрузки…………………………………………….
178
8.12. Определение расчетных усилий 
в характерных сечениях левой колонны………………………..
179
8.13. Определение расчетных длин колонн……………………
181
8.14. Подбор и проверка сечения надкрановой части колонны
181
8.15. Подбор и проверка сечения
подкрановой сквозной части колонны………………………….
185
8.16. Расчет и конструирование узла сопряжения 
верхней и нижней частей колонны………………………………
190
8.17. Расчет и конструирование базы колонны………………..
193
Контрольные вопросы к главе 8…………………………………….
200
Глава 9. Термостойкость стальных строительных конструкций………
201
9.1. Пределы термостойкости стальных конструкций …………
201
9.2. Способы повышения огнестойкости 
стальных конструкций……………………………………………
201
9.3. Оценка огнестойкости стальных конструкций……………..
202
9.4. Расчет огнестойкости стальных конструкций……………..
205
9.5. Последствия термического воздействия
на стальные строительные конструкции
209
Контрольные вопросы к главе 9…………………………………….
211
Литература………………………………….................................
212
5 

Предисловие
Учебное пособие создано на основе материалов дисциплины «Строительные конструкции», по которой автор вел занятия для студентов очной и заочной формы обучения. Учебное пособие состоит из девяти глав.
В первой главе представлены общие сведения о строительной стали, её 
характеристиках и поведении в процессе воздействия нагрузки. Во второй главе 
приведены сведения о стальных строительных конструкциях, их характеристиках и предъявляемых к ним требованиях. Третья глава посвящена работе элементов строительных конструкций при воздействии на них нагрузки.
В четвёртой главе рассмотрены основные типы соединений стальных 
строительных конструкций – сварных и болтовых. Приведены рекомендации по 
изготовлению стальных конструкций с такими соединениями и по их защите от 
агрессии окружающей среды. 
Пятая глава посвящена несущим конструкциям – стойкам и колоннам. В 
шестой главе рассмотрены стальные балки. Обе эти главы содержат рекомендации по проектированию рассмотренных объектов. Седьмая глава посвящена 
решётчатым конструкциям – фермам. 
В восьмой главе рассмотрены принципы расчёта и проектирования типового стального каркаса промышленного здания. Все эти главы содержат необходимые теоретические сведения и соответствующие примеры расчётов.
Девятая глава создана на основе материалов, применяемых автором в период ведения дисциплины «Здания, сооружения и их устойчивость при пожаре» 
и посвящена термостойкости стальных строительных конструкций в таких 
чрезвычайных ситуациях. В конце учебного пособия приведен список используемой и рекомендуемой литературы. 
Учебное пособие ориентировано на предметы, связанные с проектированием и эксплуатацией зданий и сооружений. 
Задачи, решаемые в учебном пособии: систематизировать сведения о расчёте и проектировании стальных строительных конструкций; дать представления об их живучести, обосновать правила выбора элементов этих конструкций; 
ознакомить с системой защищенности стальных конструкций зданий и сооружений в процессе пожара.
6 

Глава 1. Общие сведения о строительной стали
 Механические характеристики строительной стали
При выборе стали для элемента конструкции исходят из условия работы с
достаточным запасом надежности. Материалом для строительных металлических 
конструкций являются прокатная сталь. Поведение стали в конструкции определяют её механические характеристики: упругость, пластичность, хрупкость, 
прочность, выносливость, термостойкость и др. Эти характеристики находят 
опытным путём, испытывая образцы материала на специальных установках. 
Все элементы конструкции в процессе эксплуатации подвергаются воздействию нагрузок. Нагрузки могут растягивать, сжимать и изгибать строительную конструкцию, действовать плавно, постепенно (статически) или мгновенно (динамически), изменяя  форму элемента. Если к стальному образцу приложены сравнительно небольшие нагрузки, то после прекращения их действия его 
форма восстанавливается (рис. 1.1, а). Такой вид деформации называют упругой
деформацией, а материал, обладающий свойством упругости, называют упругим.
Если к стальному образцу приложить большие усилия, то после прекращения их действия он может не приять своей первоначальной формы и останется 
деформированным (рис. 1.1, б). Такую деформацию называют пластической деформацией, а материал, обладающий этим свойством, называют пластическим 
(пластичным). Способность материала деформироваться под действием внешних 
нагрузок не разрушаясь, и при этом сохранять измененную форму после прекращения действия усилий называют пластичностью.
Рис. 1.1. Образцы до и после испытаний: 
а – хрупкого материала; б – пластичного материала 
7 

Материалы, не способные к пластическим деформациям, называются хрупкими. Такие материалы под действием нагрузки или удара могут разрушаться 
внезапно. Закаленная сталь – это хрупкий материал. Стальные строительные 
конструкции изготовляют из пластических сталей.
Прочность строительной стали характеризуется максимальной нагрузкой,
которую, не разрушаясь, выдерживает испытуемый стальной образец.
Для определения прочностных характеристик стали испытания проводят 
на разрывных машинах, снабженных устройством, записывающим диаграмму 
растяжения (сжатия) – это график изменения нагрузки F в зависимости от величины абсолютного удлинения 'l образца (рис. 1.2).
Рисунок 1.2. Диаграмма растяжения стального образца
На рис. 1.3 показан процесс разрушения стального образца в координатах: нагрузка F – длина образца l. Такая диаграмма зависит от размеров образца 
и физических свойств материала. Для исключения этой зависимости диаграмму 
перестраивают в координатах относительная деформация H – напряжение V
(напряжение – это удельная сила, равная отношению действующей силы F к 
площади поперечного сечения A испытуемого образца) путем уменьшения ординаты в А0 раз, а абсциссы – в l0 раз (А0, l0 – площадь поперечного сечения и 
длина недеформированного образца). В таком виде диаграмма характеризует 
только свойства материала образца. Толстой линией на рисунке 1.2 обозначена 
истинная диаграмма, пунктирной линией – условная диаграмма, полученная без 
учета изменения поперечного сечения образца.
8 

Рис. 1.3. Процесс разрушения стального образца при растяжении
Рассмотрим характеристики прочности стали. Диаграмму V-H можно
условно разделить на 4 зоны. Зона упругости (первая зона OD), где свойства 
материала подчиняются закону Гука, сущность которого в том, что удлинения 
пропорциональны вызвавших их нагрузкам – уточненное и положенное в основу теории деформации упругого тела: 'L = F L / E A или H = V E.
Наибольшее напряжение, до которого материал следует закону Гука, 
называют пределом пропорциональности VП. Угол наклона прямой: D‘ =
=‘DOA = arctg
H / V  = arctg E, где Е – модуль упругости материа-ла (характеристика упругого  сопротивления внешним нагрузкам – чем больше  эта 
величина, тем  сильнее возрастают напряжения с ростом деформации): tg H / V = 
=D = Е.
Модуль упругости материала Е является постоянной характеристикой 
лишь на участке диаграммы, соответствующим упругим деформациям. Дальнейший рост нагрузки приводит к изменению Е  в значительных пределах –
см. нижний график на рис. 1.2. На рис. 1.4 показан образец до и после
разрушения.
При проектировании элементов конструкций иногда важно знать напряжения, вызывающие первые остаточные деформации (0,002...0,005 %), которые 
называют пределом упругости VУ. Величины VП и VУ, как правило, трудно поддаются определению, поэтому их не помещают в справочниках. Перпендикуляр 
из точки, соответствующей VУ, на ось абсцисс делит диаграмму на 2 части: область упругих и область пластических  деформаций.
9 

Рис. 1.4. Стандартный стальной образец: диаметр 10 мм;
l0 – длина до разрушения; l1 – длина после разрушения
Вторая зона DM – зона общей пластичности. Для нее характерно существенное увеличение деформации (длины) образца без заметного увеличения 
напряжения (нагрузки). В этой зоне для некоторых марок стали можно наблюдать почти горизонтальный участок диаграммы – площадку текучести. Образование пластических HР деформаций вызвано сдвигами в кристаллической решетке. Если образец разгрузить в какой-либо точке этой зоны то в процессе 
разгрузки зависимость между  V и H выразится прямой, параллельной прямой 
участка упругости (линия MA). При этом деформация, полученная на этапе 
нагружения, полностью не исчезает, а лишь уменьшается на величину упругой 
деформации HE = VУ / Е. Полная деформация  равна H = HE + HР.
Повторное нагружение идет по прямой MA и далее – по диаграмме. Таким образом, предварительное упругопластическое нагружение образца 
уменьшает пластичность материала.
Для количественной оценки напряженности материала и предотвращения 
больших остаточных деформаций используют важную механическую характеристику – предел текучести VТ (VТР – при растяжении; VТС – при сжатии) – это 
напряжение, при котором в материале появляется заметное удлинение образца 
без увеличения самого напряжения. Для тех материалов, у которых отсутствует 
на диаграмме явно выраженная площадка текучести, за предел текучести принимается условное значение напряжения, при котором остаточная деформация 
HР = 0,02...0,2 % (до 0,5 %).
Третья зона MK – зона упрочнения. Здесь удлинение образца возрастает 
более интенсивно с увеличением нагрузки по сравнению с зоной упругости. 
В точке В относительное уменьшение площади сечения сравнивается с относительным возрастанием напряжения и напряжение V достигает максимума. Если 
разгрузит образец в некоторой точке этой зоны, то при последующей нагрузке 
отсчет деформаций будет начинаться от точки % и материал приобретает способность воспринимать без остаточных деформаций большие нагрузки. 
Явление повышения упругих свойств материала в результате предварительного пластического деформирования носит название наклепа и широко используется в технике. В некоторых случаях явление наклепа может быть неже10