Проектирование и расчет металлических конструкций

УДК 624.014 
ББК 38.54 
Т90 
Рецензенты: 
доктор технических наук А.М. Ибрагимов, профессор кафедры МДК; 
доктор технических наук, профессор В.В. Галишникова, директор департамента строительства 
Инженерной академии Российского университета дружбы народов 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Туснин, А.Р. 
Т90         Проектирование и расчет металлических конструкций [Электронный ресурс] : учебнометодическое пособие / А.Р. Туснин, О.А. Туснина ; Министерство науки и высшего образования Российской Федерации, Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет, кафедра металлических и деревянных конструкций. — 
Электрон. дан. и прогр. (1,91 Мб). — Москва : Издательство МИСИ – МГСУ, 2020. — 
Режим доступа: http://lib.mgsu.ru/Scripts/irbis64r_91/cgiirbis_64.exe?C21COM=F&I21DBN= 
IBIS&P21DBN=IBIS — Загл. с титул. экрана. 
ISBN 978-5-7264-2065-3 
 
В учебно-методическом пособии рассмотрены вопросы работы балок, центрально-сжатых колонн и узлов конструкций. Представлены рекомендации по расчету и проектированию основных 
несущих конструкций балочной рабочей площадки. Изложена методика подбора сечения балок, 
колонн, расчета узловых соединений стальных конструкций. Пособие создано в соответствии с 
Федеральным государственным образовательным стандартом высшего образования. 
Для обучающихся по направлению подготовки 08.05.01 Строительство уникальных зданий и 
сооружений. 
 
 
Учебное электронное издание 
 
 
© Национальный исследовательский 
Московский государственный 
строительный университет, 2020 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
, 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Редактор Т.Н. Донина  
Корректор Т.Н. Донина 
Компьютерная правка и верстка О.В. Суховой 
Дизайн первого титульного экрана Д.Л. Разумного 
 
Для создания электронного издания использовано: 
Microsoft Word 2010, ПО Adobe Acrobat  
 
 
Подписано к использованию 13.12.2019 г. Объем данных 1,91 Мб. 
 
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение 
высшего образования 
«Национальный исследовательский 
Московский государственный строительный университет». 
129337, Москва, Ярославское ш., 26. 
 
Издательство МИСИ – МГСУ. 
Тел.: (495) 287-49-14, вн. 13-71, (499) 188-29-75, (499) 183-97-95. 
E-mail: ric@mgsu.ru, rio@mgsu.ru. 
 
 

Оглавление 
ВВЕДЕНИЕ 
............................................................................................................................................ 5 
1. СТАЛЬ КАК МАТЕРИАЛ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ........... 5 
2. МЕТОДЫ РАСЧЕТА СТАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ. ПРЕДЕЛЬНЫЕ СОСТОЯНИЯ.                               
НАГРУЗКИ. НОРМАТИВНЫЕ И РАСЧЕТНЫЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ .......................................... 8 
3. РАБОТА И РАСЧЕТ ИЗГИБАЕМЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ................................................................. 14 
4. РАБОТА И РАСЧЕТ ЦЕНТРАЛЬНО-СЖАТЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ............................................... 27 
5. РЕКОМЕНДАЦИИ К ВЫПОЛНЕНИЮ КУРСОВОГО ПРОЕКТА ........................................... 31 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ................................................................................................................................... 57 
Библиографический список 
................................................................................................................ 58 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ 
Учебно-методическое пособие предназначено для изучения теоретических основ работы 
стальных конструкций. Пособие содержит методические рекомендации к выполнению курсового проекта, а также указания по расчету и проектированию основных несущих конструкций балочной клетки рабочей площадки.  
Издание может использоваться не только при разработке курсового проекта, но и при 
проведении практических занятий по металлическим конструкциям. 
1. СТАЛЬ КАК МАТЕРИАЛ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ 
Сталь — поликристаллический материал, состоит из большого числа кристаллов или зерен, произвольно ориентированных относительно друг друга. Каждый кристалл (зерно) обладает анизотропными свойствами, однако наличие в стали множества мелких и по-разному 
ориентированных зерен ведет к тому, что в среднем по всем направлениям сталь имеет одинаковые свойства. Зерна, образующие сталь, делятся на феррит, цементит и перлит. 
Зерна феррита занимают основной объем стали и состоят из чистого железа. Цементит —
карбид железа FeC3, перлит — смесь феррита и цементита. Феррит пластичный и относительно малопрочный материал, цементит хрупкий и прочный, а перлит обладает промежуточными свойствами. Наличие таких разных по свойствам зерен в  структуре стали проявляется в ее работе под нагрузкой.  
Значительное влияние на структуру, а значит, и на механические свойства стали оказывает 
скорость остывания. При быстром охлаждении зерна очень мелкие, прочность стали становится больше, но пластичность ее при этом снижается. Быстрое охлаждение стали называется 
закалкой. Для увеличения пластичности закаленной стали ее нагревают до температуры выше 
700 °С, выдерживают некоторое время, а затем охлаждают с контролируемой скоростью. 
При этом снижаются напряжения между зернами, пластичность стали увеличивается, а 
прочность незначительно снижается. Эта термическая процедура называется отпуск. 
Испытание стальных образцов на растяжение показало, что при нагружении до напряжений, равных пределу пропорциональности, сталь работает упруго в соответствии с законом 
Гука, после снятия нагрузки на этой стадии деформации исчезают. С ростом напряжений 
выше предела пропорциональности начинают происходить сдвиги в отдельных зернах феррита, пропорциональность между деформациями и напряжениями нарушается. На этой стадии развитию плоскостей сдвига по всему образцу препятствуют более прочные зерна перлита и цементита. Дальнейшее увеличение напряжений ведет к тому, что плоскости сдвига 
пронизывают все сечение. Деформации при этом растут без увеличения напряжений. На диаграмме появляется площадка текучести, длина которой составляет от 1,5 до 2,5 %. Площадка 
текучести ограничивается из-за того, что развитие плоскостей сдвига сдерживается на границах зерен. Ограничение распространения плоскостей сдвига требует для роста деформаций увеличения напряжений, а на диаграмме появляется участок, называемый стадией 
самоупрочнения. При приближении напряжений к временному сопротивлению в растягиваемом образце возникает утонение (шейка). При дальнейшем росте напряжений именно в шейке и происходит разрыв растягиваемого образца. 
По прочности стали делят на 3 группы: обычной прочности (предел текучести до 29 кН/см2); 
повышенной прочности (предел текучести от 29 до 40 кН/см2); высокой прочности (предел 
текучести больше 40 кН/см2). На рис. 1.1 показана диаграмма работы стали на растяжение. 
5 

 
Рис. 1.1. Диаграмма работы стали: 
σвр — временное сопротивление стали; εост — остаточная деформация 
 
Для определения механических свойств стали проводят испытания образцов на растяжение. 
При испытании образцов из стали обычной прочности на диаграмме деформация — напряжение после упругого участка, где справедлив закон Гука, при напряжениях, равных пределу 
текучести, наблюдается площадка текучести, где деформации растут без увеличения напряжений. Протяженность площадки текучести для таких сталей достигает 2,5 %. При достижении напряжениями в образце временного сопротивления происходит разрыв стали. Удлинение при разрушении достигает 25 %. Стали обычной прочности весьма пластичны. Помимо 
протяженной площадки текучести для них характерна значительная разница между пределом 
текучести и временным сопротивлением, которое составляет 0,6…0,7. Стали обычной прочности хорошо свариваются и имеют невысокую коррозионную стойкость. 
Стали повышенной прочности — это или низколегированные стали, или термоупрочненные углеродистые стали. Они менее пластичны. Площадка текучести у них 1…1,5 %, отношение предела текучести к временному сопротивлению 0,7…0,8. Сталь имеет высокую 
ударную вязкость, что позволяет успешно использовать ее при пониженных температурах 
эксплуатации. 
Стали высокой прочности легированные и, как правило, термообработанные. Эти стали 
могут вообще не иметь площадки текучести на диаграмме растяжения. Для нормирования 
предела текучести используется напряжение, при достижении которого остаточная деформация составляет 0,2 %. Отношение предела текучести к временному сопротивлению составляет 
0,8...0,9, что требует расчета этих сталей только в упругой стадии. 
Увеличение содержания углерода в стали ведет к росту ее прочности, но снижает ее пластические свойства и свариваемость. В строительных сталях содержание углерода ограничено 
величиной 0,22 %, что позволяет ее надежно сваривать, а сами строительные стали — это 
малоуглеродистые стали.  
Кроме основных элементов (железа и углерода) в состав стали входят и другие компоненты. 
В зависимости от влияния на свойства стали химические элементы делятся на легирующие 
добавки и вредные примеси. 
В качестве легирующих добавок используются кремний (С), марганец (Г), медь (Д), 
хром (Х), никель (Н), ванадий (Ф), молибден (М), алюминий (Ю), азот (А). Буквы, указанные 
в скобках, применяются для условного обозначения легирующего элемента в марке стали. 
Стали, в состав которых входят легирующие элементы, называются легированными. 
6 

Основное назначение легирующих элементов — улучшить механические свойства стали. 
Чаще всего они увеличивают ее прочность. Некоторые элементы, увеличивая прочность, 
снижают пластичность (например кремний, марганец, медь). Ряд элементов используется для 
увеличения коррозионной стойкости стали. Азот в виде химических соединений с легирующими элементами (нитридами) способствует получению мелкозернистой структуры стали и 
улучшению механических характеристик.  
Вредными примесями являются азот в несвязанном состоянии, кислород, водород, которые повышают хрупкость стали. Сера, образуя легкоплавкое сернистое железо, способствует 
образованию трещин при повышенной температуре (красноломкость). Фосфор образует 
твердый раствор с ферритом, повышая хрупкость стали при пониженных температурах 
(хладноломкость). Однако при наличии алюминия фосфор может играть легирующую роль, 
повышая коррозионную стойкость. 
Еще одной особенностью легированных сталей является их худшая свариваемость. Для 
оценки свариваемости легированной стали используют углеродный эквивалент, который 
позволяет привести содержание легирующих элементов к углероду. По величине углеродного 
эквивалента можно сделать вывод о том, как будет свариваться легированная сталь. 
Сталь выплавляется в мартеновских печах и кислородных конвертерах. Второй способ 
выплавки значительно дешевле и производительнее. Мартеновская и конверторная стали 
имеют одинаковое качество, их используют в большинстве строительных конструкций. 
Наиболее качественную сталь получают в электропечах, но это самая дорогая сталь, она 
применяется только для очень ответственных элементов конструкций. 
В зависимости от того, как сталь ведет себя при кристаллизации, она бывает кипящая, 
спокойная и полуспокойная.  
Кипящая сталь при разливке в изложницы кипит из-за интенсивного выделения растворенных в ней газов. Такая сталь более загрязнена и неоднородна. Наиболее неоднородна головная часть слитка, в ней наблюдается концентрация вредных примесей и углерода. Головную часть слитка (примерно 5 % от общей массы), насыщенную примесями и дефектами, не 
используют, а отрезают и направляют на переплавку. Кипящие стали плохо сопротивляются 
хрупкому разрушению и склонны к старению. В связи с такими свойствами кипящей стали 
ее не используют для ответственных конструкций.  
Для повышения качества стали ее раскисляют, вводя в расплав кремний, алюминий или 
марганец, которые связывают кислород и образуют многочисленные очаги кристаллизации, 
следствием чего является мелкокристаллическая структура стали. Раскисленные стали не кипят при разливке и называются спокойными. Для обеспечения гарантированных свойств стали от слитка отрезают примерно 15 %. Спокойные стали более однородные и менее хрупкие, 
чем кипящие, хорошо свариваются и сопротивляются динамическим воздействиям. Такие 
стали дороже, чем кипящие, и используются для ответственных конструкций. 
Промежуточное положение между кипящими и спокойными сталями занимают полуспокойные, которые раскисляются меньшим количеством раскислителя, что и определяет их 
свойства.  
В стальных конструкциях при эксплуатации возникают напряжения, которые можно 
классифицировать следующим образом:  
1) основные напряжения — напряжения от расчетных нагрузок, полученные расчетом 
принятой расчетной схемы конструкции. Используются при проектировании конструкции; 
2) дополнительные напряжения — возникают в элементах конструкций из-за наличия 
дополнительных связей, не учтенных в расчетной схеме, и отличия фактической конструкции от идеализированной расчетной схемы. Дополнительные напряжения при правильно выбранной расчетной схеме, как правило, невелики. При допустимости пластических деформа7