Металлические конструкции

Легкость. Из всех изготовляемых  в настоящее время несущих  конструкций металлические являются самыми легкими. За показатель легкости принимают отношение плотности  материала к его прочности. Наименьшее значение этот показатель имеет для алюминиевых сплавов и составляет для сплава Д16-Т 1,1-10^-4 м^-1. Приняв его за единицу, запишем сравнительные данные для других материалов: сталь - 1,5 ... 3,4, дерево - 4,9, бетон среднего класса прочности - 16,8.

Сравнив две одинаковые конструкции, одна из которых выполнена из алюминиевого сплава, а другая - из железобетона, вы можете прийти к ошибочному выводу, что при прочих равных условиях   железобетонная конструкция будет примерно в 16 раз тяжелее. На самом деле это не так и железобетонная конструкция, особенно при больших пролетах, может оказаться более тяжелой. Дело в том, что конструкция несет как бы две нагрузки: полезную, для которой она запроектирована, и неизбежный собственный вес. Например, несущая способность железобетонной плиты покрытия типа ПНС размером 3х6 м равна 4...4,5 кН/м², из них 1,3...1,5 кН/м² (т.е. 30%) приходится на собственный вес плиты. Стальная панель такого же размера, изготовленная из профилированного настила и швеллеров, при той же несущей способности будет иметь долю собственного веса 0,45...0,50 кг/м², что составляет около 10% от общей нагрузки.

Непроницаемость. Металлы  обладают не только большой прочностью, но и высокой плотностью - непроницаемостью для газов и жидкостей. Плотность  стали и ее соединений, осуществляемых с помощью сварки, является необходимым условием для изготовления резервуаров, газгольдеров, трубопроводов, различных сосудов и аппаратов.

Индустриальность. Стальные конструкции изготовляют на заводах, оснащенных специальным оборудованием, а монтаж производят с использованием высокопроизводительной техники. Все это исключает или до минимума сокращает тяжелый ручной труд.

Ремонтопригодность. Применительно  к стальным конструкциям наиболее просто решаются вопросы усиления, технического перевооружения и реконструкции. С помощью сварки вы можете легко прикрепить к элементам существующего каркаса новое технологическое оборудование, при необходимости усилив эти элементы, что также делается достаточно просто.

Сохраняемостъ металлического фонда. Стальные конструкции в результате физического и морального износа изымаются из эксплуатации, переплавляются и снова используются в народном хозяйстве.

Недостатками стальных конструкций являются их подверженность коррозии и сравнительно малая огнестойкость. Сталь, не защищенная от контакта с влагой, в сочетании с агрессивными газами, солями, пылью подвергается коррозии. При высоких температурах (для стали - 600°С, для алюминиевых сплавов - 300°С) металлоконструкции теряют свою несущую способность.

При грамотном проектировании и соответствующей эксплуатации эти недостатки не представляют опасности  для выполнения конструкцией своих  функций, но приводят к повышению  начальных и эксплуатационных затрат.

Повышения коррозионной стойкости стальных конструкций достигают включением в сталь специальных легирующих добавок, периодическим покрытием конструкций защитным слоем в виде лаков или красок, а также выбором рациональной конструктивной формы (без 'щелей и пазух, где могут скапливаться влага и пыль).

Повышение огнестойкости стальных конструкций зданий, опасных в пожарном отношении (жилые и общественные здания, склады с горючими или легковоспламеняющимися материалами) осуществляют путем устранения непосредственного контакта конструкций с открытым огнем. Для этого предусматривают подвесные потолки, огнестойкие облицовки, обмазки специальными составами. Используя специальные покрытия в виде обмазок, можно существенно увеличить предел огнестойкости.

2.3 Требования, предъявляемые к металлическим  конструкциям

При проектировании металлических конструкций должны учитываться следующие основные требования.

Условия эксплуатации. Удовлетворение заданным при проектировании условиям эксплуатации является основным требованием  для проектировщика. Оно в основном определяет систему, конструктивную форму сооружения и выбор материала для него.

Экономия металла. Требование экономии металла определяется большой  его потребностью во всех отраслях промышленности (машиностроение, транспорт  и т. д.) и относительно высокой  стоимостью.

В строительных конструкциях металл следует применять лишь в  тех случаях, когда замена его  другими видами материалов (в первую очередь железобетоном) нерациональна.

Транспортабельность. В  связи с изготовлением металлических  конструкций, как правило, на заводах с последующей перевозкой на место строительства в проекте должна быть предусмотрена возможность перевозки их целиком пли по частям (отправочными элементами) с применением соответствующих транспортных средств.

Технологичность. Конструкции  должны проектироваться с учетом требований технологии изготовления я монтажа с ориентацией на наиболее современные и производительные технологические приемы, обеспечивающие максимальное снижение трудоемкости.

Скоростной монтаж. Конструкция  должна соответствовать возможностям сборки ее в наименьшие сроки с учетом имеющегося монтажного оборудования.

Долговечность конструкции  определяется сроками ее физического  и морального износа. Физический износ  металлических конструкций связан главным образом с процессами коррозии. Моральный износ связан с изменением условий эксплуатации.

Эстетичность. Конструкции  независимо от их назначения должны обладать гармоничными формами. Особенно существенно  это требование для общественных зданий и сооружений.

Все эти требования удовлетворяются конструкторами на основе выработанных наукой и практикой принципов советской школы проектирования и основных направлении ее развития.

Основным принципом  советской школы проектирования является достижение трех главных показателей: экономии стали, повышения производительности труда при изготовлении, снижения трудоемкости и сроков монтажа, которые и определяют стоимость конструкции. Несмотря на то что эти показатели часто при реализации вступают в противоречие (так, например, наиболее экономная по расходу стали конструкция часто бывает наиболее трудоемкой в изготовлении и монтаже), советский опыт развития металлических конструкций подтверждает возможность реализации этого принципа.

Экономия металла в  металлических конструкциях достигается  на основе реализации следующих основных направлений: применения в строительных конструкциях низколегированных и высокопрочных сталей, использования наиболее экономичных прокатных и гнутых профилей, изыскания и внедрения в строительство современных эффективных конструктивных форм и систем (пространственных, предварительно напряженных, висячих, трубчатых и т.п.), совершенствования методов расчета и изыскания оптимальных конструктивных решений с использованием электронно-вычислительной техники.

Эффективно и комплексно производственные требования удовлетворяются на основе типизации конструктивных элементов и целых сооружений.

Типизация металлических  конструкций в России получила весьма широкое развитие. Разработаны типовые  решения часто повторяющихся  конструктивных элементов-колонн, ферм подкрановых балок, оконных и фонарных переплетов. В этих типовых решениях унифицированы размеры элементов и сопряжении. Для некоторых элементов разработаны стандарты.

Разработаны типовые  решения таких сооружений, как  радиомачты, башни, опоры линий электропередачи, резервуары, газгольдеры, пролетные строения мостов, некоторые виды промышленных зданий, сооружений и т. п.

Типовые решения разработаны  на основе применения оптимальных с  точки зрения затраты материала, размеров элементов, оптимальной технологии их изготовления ц возможностей транспортирования.

Типизация и проводимая на ее основе унификация и стандартизация обеспечивают большую повторяемость, серийность изготовления конструктивных элементов и их деталей на заводах  и, следовательно, способствуют повышению производительности труда, сокращению сроков изготовления на основе эффективного использования более совершенного оборудования и специальных технологических приспособлений (кондукторов, копиров, кантователей и т.п.). Типизация, унификация и стандартизация создают благоприятные условия для разработки и внедрения особенно эффективного поточного метода изготовления и монтажа металлических конструкций.

Типовые проекты обеспечивают экономию металла, упорядочивают проектирование, повышают его качество и сокращают сроки строительства.

Ведущим принципом скоростного  монтажа является сборка конструкций  в крупные блоки на земле с  последующим подъемом их в проектное  положение с минимальным количеством  монтажных работ наверху. Типизация  создает предпосылки для сокращения сроков монтажа, снижения его трудоемкости, так как повторяющиеся виды конструкций и их сопряжении позволяют лучше использовать монтажное оборудование и совершенствовать процесс монтажа.

Конструкции из металла

3.1 Балки и  балочные конструкции

Одним из наиболее распространенных элементов стальных конструкций  является балка или элемент, работающий на изгиб.

Область применения балок  в строительстве чрезвычайно  широка: от небольших элементов рабочих  площадок, междуэтажных перекрытий производственных или гражданских зданий до большепролетных балок покрытий, мостов, тяжело нагруженных подкрановых балок и так называемых "хребтовых" балок для подвески котлов в современных тепловых электростанциях. Пролеты мостовых балок достигают 150...200 м, а нагрузка на одну хребтовую балку котельного отделения ГРЭС при пролете до 45 м составляет ~ 60 -10³ кН.

3.1.1 Классификация  балок

По статической схеме  различают однопролетные (разрезные), многопролетные (неразрезные) и консольные балки. Разрезные балки проще неразрезных в изготовлении и монтаже, нечувствительны к различным осадкам опор, но уступают последним по расходу металла на 10...12%. Неразрезные балки разумно применять при надежных основаниях, когда нет опасности перегрузки балок вследствие резкой разницы в осадке опор. Консольные балки могут быть как разрезными, так и многопролетными. Консоли разгружают пролетные сечения балок и тем самым повышают экономические показате ли последних.

По типу сечения балки  могут быть прокатными либо составными: сварными, клепаными или болтовыми. В строительстве наиболее часто применяют балки двутаврового сечения. Они удобны в компоновке, технологичны и экономичны по расходу металла.

Наибольший экономический  эффект (при прочих равных условиях) может быть получен в тонкостенных балках. Хорошим критерием относительной легкости изгибаемого элемента служит безразмерное соотношение η = ³√ W² / A³ , где W - момент сопротивления, А - площадь сечения.

Для прямоугольного сечения  с шириной b и высотой h, если принять  для определенности отношение h/b равным 2...6, этот показатель составляет 0,38...0,55, а для отечественных прокатных двутавров - 1,25...1,45, т.е. в принятых условиях двутавр в 3...4 раза выгоднее простого прямоугольного сечения. Кроме двутавра применяют и другие формы сечений. Так, при воздействии на балку значительных крутящих моментов предпочтительнее применение замкнутых, развитых в боковой плоскости сечений, примеры которых показаны.

Экономическая эффективность  сечений, таким образом, тесно связана  с их тонкостенностью. Предельно возможная тонкостенность прокатных балок определяется не только требованиями местной устойчивости стенок, но и возможностями заводской технологии прокатки профилей. Местная устойчивость стенок составных сечений может быть повышена конструктивными мерами (постановкой ребер жесткости, гофрированием стенок и т.п.).

3.1.2 Прокатные  балки

Прокатные балки применяют  для перекрытия небольших пространств  конструктивными элементами ограниченной несущей способности, что связано  с имеющейся номенклатурой выпускаемых прокатных профилей. Их используют в балочных клетках; для перекрытия индивидуальных подвалов, гаражей, складских помещений; в качестве прогонов покрытий производственных зданий; в конструкциях эстакад, виадуков, мостов и многих других инженерных сооружениях.

В сравнении с составными прокатные балки более металлоемки  за счет увеличенной толщины стенки, но менее трудоемки в изготовлении и более надежны в эксплуатации. За исключением опорных зон и  зон приложения значительных сосредоточенных сил, стенки прокатных балок не требуется укреплять ребрами жесткости. Отсутствие сварных швов в областях контакта полок со стенкой существенно уменьшает концентрацию напряжений и снижает уровень начальной дефектности.

3.1.3 Составные  балки

В тех случаях, когда требуются конструкции, жесткость и несущая способность которых превышает возможности прокатных профилей, используют составные балки. Они могут быть сварными и клепаными, но последние применяют исключительно редко. Наибольшее применение получили балки двутаврового симметричного, реже несимметричного сечений. Такие балки состоят из трех элементов - верхнего и нижнего поясов, объединенных тонкой стенкой. Перспективными являются сечения в виде двутврв, в качестве полок которого используют прокатные тавры и холодногнутые профили.

3.1.4 Дистальные  балки

Снижение металлоемкости может быть достигнуто за счет использования  в одной конструкции двух различных  марок сталей. Балки, выполненные  из двух марок сталей, называют бистальными. В них целесообразно наиболее напряженные участки поясов выполнять из стали повышенной прочности с R_y = R_y1 (низколегированные стали), а стенку и малонапряженные участки поясов - из малоуглеродистой стали с R_y = R_y2.

В расчетном сечении  такой балки при достижении в  фибровых волокнах поясов σ = R_y1 в примыкающей к поясам зоне стенки напряжения достигнут предела текучести σ_w(y>|a|) = R_y1. Центральная часть стенки и пояса находятся в упругой стадии, периферийные зоны стенки - в пластической (условия ограниченной пластичности).