Металлические конструкции

метки: Конструкция, Металлический, Стальной, Применение, Строительный, Металл, Характеристика, Классификация

На тему: МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ

1. Общие сведения

Стальные конструкции благодаря высоким механическим характеристикам стали и показателям надёжности, связанной с однородностью структуры материала, применяют в ответственных сооружениях, при больших пролётах, высотных зданий и сооружений, при повышенных нагрузках. Из-за дороговизны и дефицитности стали стальные конструкции применяют лишь в тех случаях, когда это экономически выгоднее, чем железобетонные.

Стальные несущие конструкции применяют:

1) в одноэтажных производственных зданиях (стропильные конструкции при пролётах отапливаемых зданий 30 м и более; колонны высотой более 14,4 м, а также меньшей высоты при грузоподъёмности кранов 500 т и более или при меньшей грузоподъёмности кранов, но с весьма тяжёлым режимом работы; при шаге колонн более 12 м; подкрановые балки для кранов грузоподъёмностью 300 т и более или для кранов тяжёлого режима работы и др.);

2) в одноэтажных зданиях различного назначения (лёгкие решетчатые несущие конструкции при сетке колонн не менее 1818 м);

3) в многоэтажных зданиях (стальные каркасы зданий с нормативной временной длительной нагрузкой 3, 2 и 1 МПа при сетке колонн соответственно 66, 69 и 612);

4) в инженерных сооружениях (крановые эстакады высотой более 13 м и кранах грузоподъёмностью 500 т и более;).

Понятие “металлические конструкции” объединяет в себе их конструктивную форму, технологию изготовления и способы монтажа, Уровень развития металлических конструкций определяется, с одной стороны, потребностями в них народного хозяйства, а с другой — возможностями технической базы, развитием металлургии, металлообработки, строительной науки и техники.

Металл как строительный материал Металл — древний строительный материал. Уже в сооружениях V в. до н.э. применялись простейшие железные элементы. Однако, в ряде стран, более широкое применение металла в строительстве началось в конце XVIII в. после освоения промышленного производства стали. В настоящие время сталь нашла массовое применение в строительстве (Рис.1) и целесообразность ее использования возрастает с увеличением пролетов, высоты зданий и расчетных нагрузок. Особо выгодно применение металлических конструкций в отдаленных труднодоступных районах с суровыми природное — климатическими условиями, при наличии сейсмических нагрузок и сложных геологических условий строительства. По назначению — это промышленные и общественные большепролетные здания с пролетами до 100 м и более, мосты, листовые конструкции газгольдеров и резервуаров, башни и мачты, каркасы многоэтажных зданий и т.п.

Железобетонные конструкции зданий и сооружений

... железобетонный Конструирование и расчет ригелей Форма поперечного сечения ригеля зависит от назначения здания или сооружения, типа плит перекрытия и их длины. В промышленных зданиях, обычно применяется ригель прямоугольного или таврового сечения ...

Исходя из этих положений, история развития металлических конструкций может, быть разделена на пять периодов:

Первый период (от ХII в. до начала ХVII в.) характеризуется применением металла в уникальных по тому времени сооружениях (дворцах, церквах и т.д.) в виде затяжек и скреп для каменной кладки.

Второй период (от начала {XVII в. до конца ХVIII в.)) связан с применением наклонных металлических стропил и пространственных купольных конструкций (корзинок) глав церквей.

Третий период (от начала {XVIII в. до середины XIX в.) связан с освоением процесса лития чугунных стержней и деталей. Первой чугунной конструкцией в России считается перекрытие крыльца Невьянской башни на Урале (1725 г.).

В Петербурге был построен первый чугунный мост Совершенства чугунных конструкций в России достигли в середине Х1Х в.. Уникальной чугунной конструкцией 40-х годов Х1Х в. является купол Исаакиевского собора, собранный из отдельных косяков в виде сплошной оболочки.

Рис. 1. Варианты конструкций из металла

Четвёртый период (с 30-х годов Х1Х в. до 20-х годов ХХ в.) связан с быстрым техническим прогрессом во всех областях, техники того времени и в частности, в металлургии и металлообработке.

Пятый период (после революционный) начинается с конца 20-х годов, с первой пятилетки, когда молодое социалистическое государство приступило к осуществлению широкой программы индустриализации страны.

Основы расчёта металлических конструкций. Метод расчёта по предельным состояниям.

Цель расчёта строительных конструкций рассчитывает на силовые и другие воздействия, определяющие их напряженное состояние и деформацию по предельным состояниям.

В расчётах конструкций на действие статических и динамических нагрузок и воздействий, которым они могут подвергаться в течение строительства и заданного срока службы, учитываются следующие предельные состояния:

первой группы — по потере несущей способности и полной непригодности к эксплуатации конструкций;

— второй группы — по затруднению нормальной эксплуатации сооружений.

К предельным состояниям так же относятся:

1. Общая потеря устойчивости формы

2. Потеря устойчивости положения

3. Разрушение любого характера

4. Переход конструкции в изменяемую систему

5. Качественное изменение конфигурации

Состояния, при которых возникает необходимость прекращения эксплуатации в результате текучести материала, сдвигов в соединениях, ползучести, недопустимых остаточных или полных перемещений или чрезмерного раскрытия трещин.

Первая группа по характеру предельных состояний разделяется на две подгруппы: по потере несущей способности (первые пять состояний) и по непригодности к эксплуатации (шестое состояние) вследствие развития недопустимых по величине остаточных перемещений (деформаций).

Предельные состояния первой группы проверяются расчётом на максимальные (расчётные) нагрузки и воздействия, возможных наиболее при нарушении нормальной эксплуатации, предельные состояния второй группы — на эксплуатационные (нормативные) нагрузки и воздействие, отвечающие нормальной эксплуатации конструкций.

Металлические конструкции (2)

... конструкций составляет (%): завышение номинального диаметра арматурной стали— 62,4; плюсовые допуски проката— 12,0; немерные длины свариваемых марок стали — 25,6. Значительная доля металлических ... е. ее длительная сохранность в процессе эксплуатации железобетонной конструкции, в значительной мере зависит от ... совместной работы на изгиб. 6. Башни и мачты. Большую группу подобных конструкций составляют ...

2. Достоинства и недостатки металлических конструкций

Металлы обладают высокой надежностью и долговечностью, что является следствием их однородности и изотропности. Эти их свойства положены в основу разработки теории расчета. Поэтому гипотеза о сплошности и изотропности материалов в сопромате наиболее точно описывает поведение под нагрузкой именно металлов.

Металлы имеют высокую прочность, вследствие чего при малых сечениях металлические элементы могут воспринимать большие усилия. Самый высокий среди строительных материалов модуль упругости имеет сталь — Е_ст = 2,06. 10⁵ МПа (2 100 000 кгс\см² ), поэтому применения и деформации стальных элементов малы. Для алюминиевых сплавов модуль упругости Е_ал = 0,7. 10⁵ МПа, т.е. алюминий в 3 раза более деформативен, чем сталь. Поэтому при прочих равных условиях алюминиевые балки, например, имеют в 3 раза большие прогибы, чем стальные.

Металлические конструкции обладают высокой транспортабельностью, которая позволяет при малых затратах доставлять их в труднодоступные удаленные районы. Сплошность материала и герметичность соединений позволяет осуществлять в металле водо- и газонепроницаемые сооружения, например, газгольдеры и резервуары. Металлические конструкции индустриальные и изготавливаются на специализированных предприятиях, кроме того, они удобны в эксплуатации, легко усиливаются и ремонтируются. Недостатки металлических конструкций:

1. Низкая огнестойкость. При температурах свыше 400 ⁰ С для сталей и 200 ⁰ С для алюминиевых сплавов начинается ползучесть металлов, которая проявляется в развитии пластических деформаций при постоянной нагрузке.

2. Подверженность коррозии. Защитой стали от коррозии является окраска масляной краской, оцинкование. Разработаны также специальные стали, устойчивые против коррозии, например, сталь «Кор-Тен». Алюминиевые сплавы коррозиеустойчивы и не требуют антикоррозионной защиты, что выгодно отличает их от стали.

3. Высокая стоимость. Средняя стоимость 1 т стальных конструкций в далее составляет 250…300 руб., из них стоимость самого материала порядка 150 руб. Стоимость 1 т конструкций из алюминиевых сплавов в 8-5 руб. раз больше, что в определенной степени компенсируется их малым весом по сравнению со стальными конструкциями.

3. Материалы для металлических конструкций

Сталь благодаря высоким механическим характеристикам и однородности структуры применяют в ответственных сооружениях, при больших пролётах и высотах зданий и сооружений, при повышенных нагрузках. Однако из-за дороговизны и дефицитности металла стальные конструкции применяют в основном в тех случаях, когда они экономически значительно выгоднее железобетонных. Используются также конструкции из алюминиевых сплавов.

Марки строительных сталей. Сталь представляет собой сплав железа с углеродом. Углерод повышает прочность стали, но снижает ее пластические свойства и ухудшает свариваемость. Поэтому для сварных конструкций применяют только низкоуглеродистые стали с содержанием углерода не более 0,25%.

Сталь обыкновенного качества по ГОСТ у 380-71 поставляется по тем группам — А, Б и В, при этом в несущих строительных конструкциях применяется сталь группы В. Завод — изготовитель гарантирует механические свойства и химический состав стали, гарантирует механические свойства и химический состав стали, что оговорено в ГОСТе. Сталь группы В включает в себя следующие марки: ВСт1, ВСт2, ВСт3, ВСт4, ВСт5. Цифры обозначают условный порядковый номер марок, которые различаются процентным содержанием углерода. Спокойная сталь содержит весь кислород в химически связанном состоянии, она дороже кипящий на 10..12% и применяется в конструкциях, эксплуатируемых, например в подкрановых балках, фасовках стропильных ферм и т. д.

История развития внепечной обработки стали

... в первую очередь достижениям физической химии металлургических процессов и гидродинамики. Внепечная обработка стали начала активно применяться с 60-х годов, главным образом ... конструкций при уменьшении их массы. Другим важным фактором, обеспечившим этот результат, явилась возможность гарантированно получать сталь с узкими пределами содержания элементов. 1 Вакуумирование стали 1 Вакуумирование стали ...

Современное развитие техники потребовало производство сталей более высокой прочности. Этому требованию отвечают низколегированные стали, например, марок 09Г2, 10Г2С1 и др. В обозначении марок, которые состоят из букв и цифр, буквы характеризуют наличие химических элементов: А — азота, Г-марганца, Д-меди, М-молибдена, Н-никеля, С-кремния, Ф-ванадия, Х-хрома, Ю- алюминия, а цифры после буквы указывают процентное содержание легирующим элемента. Например, сталь 09Г2С расшифровывается следующим образом: содержание углерода — 0,09%, марганца — до 2%, кремния — до 1%.

Вредными примесями являются сера, приводящая к красноломкости, и фосфор, приводящий к хладноломкости стали. Содержание этих элементов не должно превышать 0,04 и 0,035% соответственно.

В зависимости от гарантируемых характеристик для низколегированных сталей установлено 15 категорий поставок; чем она сталь, тем лучше качество стали. В строительстве используется сталь 2,6,7,9,12,13 и 15-й категорий. Часто применяемые марки низколегированных сталей: 09Г2С, 10Г2С1, 14Г2, 15ХСНД.

В последние годы широкое распространение получают стали повышенной и высокой прочности: 14ГАФ, 16ГАФ, 18Г2АФ.

Для выбора марки стали все конструкции разделены на четыре группы в зависимости от степени ответственности и условий эксплуатации:

1. Конструкции, работающие в особо тяжелых условиях или подвергающиеся непосредственно воздействию динамических нагрузок (подкрановые балки, фасовки ферм, пролетные строения и т.д.).

2. Конструкций или их элементы, работающие при статической нагрузке на растяжение, изгиб, изгиб с растяжением (фермы, ригели рам, балки перекрытий и покрытий и т.д.).

3. Конструкции или их элементы, работающие при статической нагрузке на сжатие и сжатие с изгибом (колоны, стойки, опорные плиты, прогоны покрытий и т.д.).

4. Вспомогательные конструкции (связи, элементы фахверка, лестницы, ограждения и т.д.).

Из обширного перечня прокатных профилей, выпускаемых металлургическими заводами в настоящее время наибольшее применение находят уголки равнополочные, уголки неравно полочные, двутавры обыкновенные, двутавры широкополочные, швеллеры, трубы, полосовая и листовая сталь и гнутые профили, которые выпускаются в соответствии с ГОСТами.

Алюминиевые сплавы применяют при необходимости снижения массы зданий, в несущих и ограждающих конструкциях стационарных и сборно-разборных зданиях в виде прокатных, прессованных и штампованных профилей из алюминиевых сплавов марок АМ М, 2М, АД31Т и др.

4. Расчет металлических конструкций

Нормативные и расчетные сопротивления прокатной стали В качестве нормативного сопротивления при растяжении, сжатии и изгибе для сталей обычной и повышенной прочности в СНиП принят предел текучести у_т ‚ соответствующее нормативное сопротивление обозначают R_yn . В особых случаях (когда допустимо развитие больших пластических деформаций) для этих сталей в качестве нормативного сопротивления используется временное сопротивление (предел прочности) у_в . В этом случае нормативное сопротивление обозначают R_un .

На металлургических заводах предел текучести стали контролируют выборочным путём, поэтому в конструкции может попасть материал с худшими свойствами, чем это установлено ГОСТом. Расчётные сопротивления для прокатной стали R _y , R_u равны нормативным R_yn , R_un , делённым на коэффициент надёжности по материалу г_m ; численно величина г_m принята равной.

Расчет металлических конструкций осуществляются в зависимости от их напряженно -деформированного состояния

Центрально-растянутые элементы. Работа растянутого элемента под нагрузкой полностью соответствует диаграмме работы материала при растяжении. Центрально-растянутые элементы рассчитывают по формуле

N/A _n ? R_y г_c ,

Центрально-сжатые элементы. Расчёт центрально-сжатых элементов ведут по 1 группе предельных состояний. При этом расчёт ведётся по прочности — для коротких стержней, длина которых превышает наименьший поперечный размер не более чем в 5-6 раз; по устойчивости — для длинных гибких стержней. Короткие стальные стержни при работе на сжатие ведут себя так же, как и растянутые элементы, поэтому их рассчитывают на прочность по формуле растянутых стержней:

N/A _n ? R_y г_c ,

Проверка устойчивости стержней, сжатых осевой силой, производится по формуле

N/(цБ) ? R _y г_c ,

Гибкостью стержня л называют отношение его расчётной длины l ₀ к радиусу инерции сечения i, который является функцией момента инерции и площади сечения брутто:

л _x = l_0x /i_x ; л_y = l_0y /i_y ; i_x = vI_x /A; i_y = vI_y /A.

Внецентренно сжатые элементы. Для коротких внецентренно сжатых элементов предельные состояния определяются несущей способностью по прочности. Расчёт таких элементов в общем случае производят по формуле

N / A _n ± M_x y / I_xn ± M_y x / I_yn ? R_y г_c

Изгибаемые элементы. Расчёт изгибаемых элементов ведут по предельным состояниям обеих групп. Предельные состояния 1 группы для изгибаемых элементов определяются вязким, хрупким или усталостным разрушением или потерей устойчивости, 2 группы — развитием чрезмерных деформаций, нарушающих нормальные условия эксплуатации конструкций.

Расчёт изгибаемых элементов применительно к случаю вязкого их разрушения производится по формулам: M/W _n,min ? R_y г_c ; ф = QS/(It) ? R_s г_c .

5. Применения металлических конструкций

Строительные стали. В зависимости от химического состава и механических свойств их делят на две основные группы:

малоуглеродистая сталь обыкновенного качества, механические свойства которой зависят в основном от содержания углерода;

низколегированная сталь, содержащая легирующие добавки, повышающие прочность, ударную вязкость, а также стойкость против коррозии.

По способу приготовления стали бывают мартеновскими и кислородно — конверторными (их изготовляют кипящими, спокойными и полуспокойными).

Кипящую сталь сразу разливают из ковша в изложницы; она содержит значительное количество растворенных газов. Спокойная сталь — это сталь, выдержанная некоторое время в ковшах.

Величины основных физических характеристик стали: плотность 7850 кг/м^{3 ,} модуль продольной упругости Е = 2,1. 10⁵ МПа, модуль сдвига G = 84. 10³ МПа, коэффициент линейного расширения ? = 0, 000012 град^-1 (см..Таблицу 1!).

Для строительных конструкций применяют в основном следующие стали:

1) сталь малоуглеродистую обыкновенного качества марки ВСт3. Буква В указывает, что сталь поставляется одновременно по механическим свойствам и химическому составу. Степень раскисления обозначается индексами («кп» — кипящая, «пс» — полуспокойная и «сп» — спокойная), которые указываются после обозначения марки стали, например, ВСт3сп. При повышенном содержании марганца после обозначения марки ставят букву Г, например, ВСт3Гпс. В зависимости от нормируемых показателей (химического состава, механических свойств и ударной вязкости) сталь делят на категории — 1, 2, 3, 4, 5, 6, которые указывают после обозначения стали, например, ВСт3пс5;

2) термически обработанную сталь марки СтТ.

3) сталь низколегированную марок 14Г2, 10Г2С1, 15ХСНД и др. Первые две цифры в обозначениях низколегированных сталей указывают содержание углерода в сотых долях процента; буквами обозначают легирующие элементы (Г — марганец, С — кремний, Х — хром, Н — никель, Д — медь, А — азот, Ф — ванадий); цифра после буквы указывает содержание этого легирующего элемента в процентах, если оно превышает 1%.

Для низколегированных сталей (например, для стали 15ХСНД) диаграмма растяжения не имеет площадки текучести. Предел текучести условно принимается равным напряжению, при котором остаточное относительное удлинение равно 0,2%. Условный предел текучести в этом случае обозначают ?_0,2 .

Рассмотрение диаграммы растяжения показывает, что после достижения предела текучести несущая способность материала исчерпывается, так как при дальнейшем загрубении деформации становятся очень значительными и не могут быть допущены при нормальной эксплуатации большинства строительных конструкций. Поэтому предел текучести обычно является предельным напряжением. Величина его для каждой марки стали может колебаться в определенных пределах.

Таблица 1. Механические свойства стали в зависимости от класса прочности

Класс прочности стали	Механические свойства при растяжении	Класс прочности стали	Механические свойства при растяжении
	в, МПа	?т, МПа	Относительное удлинение, %		в, МПа	т, МПа	Относительное удлинение, %
С 38/23	380	230	25	С 60/45	600	450	16
С 44/29	440	290	21	С 70/60	700	600	12
С 46/33	460	330	21	С 85/75	850	750	10
С 52/40	520	400	19

Низколегированные стали, обладающие повышенной прочностью, причиняют для конструкций, испытывающих большие усилия или непосредственное воздействие динамических этих сталей дает (например, для подкрановых балок).

Повышенное сопротивление низколегированных сталей хрупкому разрушению при низких температурах делает особенно целесообразным применение их для конструкций, работающих при расчетной температуре ниже — 40⁰ С. Применение низколегированных сталей, более дорогих, чем углеродистые обыкновенного качества, должно иметь технико — экономическое обоснование.

Алюминиевые сплавы. Плотность алюминиевых сплавов равна в среднем 2700 кг/м³ , т.е. почти в три раза меньше, чем у стали, а прочность сплавов мало отличается от прочности стали. Модуль продольной упругости алюминиевых сплавов равен 71 000 МПа — почти в три раза меньше, чем у стали. Следовательно, деформации конструкций из алюминиевых сплавов значительно больше, чем деформации стальных конструкций. Коэффициент линейного расширения равен 0,000023 град —¹ . Для строительных конструкций применяют следующие сплавы: алюминия с магнием, называемые магналиями, марок Амг6 — М и Амг61 — М; алюминия с медью и магнием — дюралюмины марок Д1-Т и Д16-Т; алюминия с магнием и кремнием — авиа ли марок АВ — Т1, АД31 — Т1, АД33 — Т1 и др.

Влияние температуры необходимо учитывать при проектировании конструкций, подвергающихся воздействиям высоких температур (вблизи печей и др.), а также открытых конструкций, испытывающих сезонное изменение температуры воздуха.

При повышении температуры до 200 ⁰ С изменение механических свойств стали очень незначительны и могут не учитываться. В интервале температур от 200⁰ до 300 ⁰ С сталь делается хрупкой (синеломкость).

При повышении температуры до 400 ⁰ С появляется ползучесть, т.е. при постоянных напряжениях нарастают деформации. При температуре 600 ⁰ С резко возрастает пластичность стали и теряется способность сопротивляться внешним воздействиям. При низких температурах снижается ударная вязкость стали, и она становится склонной к хрупкому разрушению, которое возможно для стали марки Ст3кп при температуре около — 20 ⁰ С, Ст3сп — около — 40 ⁰ С, а для низколегированных сталей ниже — 50 ⁰ С.

Коррозия — разрушение поверхности металлов, вызываемое электрохимическими процессами, происходящими в материале. В результате коррозии уменьшается поперечные сечения и несущая способность элементов конструкций. Скорость коррозии выражается уменьшением толщины элементов конструкции (в мм) в течение одного года. Скорость коррозии зависит от степени агрессивности среды и от формы поперечных сечений конструкций. Скопление пыли на поверхности конструкций и периодическое ее смачивание увеличивают скорость коррозии. В наилучших условиях находятся конструкции, хорошо продуваемые воздухом. Исследования показали, что самой высокой стойкостью против коррозии обладают элементы трубчатого сечения. Стальные элементы двутаврового сечения, расположенные вертикально, коррозируют сильнее, чем труб частые, а элементы, расположенные горизонтально, еще больше подвержены коррозии.

Очагами развития коррозии являются щели между элементами пакетов из листов или фасонных профилей. Коррозия стали наиболее интенсивна, когда в атмосфере есть сернистые или хлористые соединения. Скорость коррозии для углеродистой стали обыкновенного качества в обычных атмосферных условиях равна 0,05 мм/год, а в условиях промышленных предприятий — 0,01 мм/год и более. Для низколегированных от коррозии меньше.

Для предохранения от коррозии стальные конструкции тщательно очищают и покрывают масляной краской.

Покрытия по стропильным фермам. Покрытие состоит из кровли, несущего настила, прогонов (при прогонном решении), стропильных ферм и связей.

Основные несущие конструкции одноэтажного производственного здания — стропильные фермы. Для освещения и аэрации применяют фонари (на рисунке не показаны), операющиеся на стропильные фермы. Опорами стропильных ферм служат стальные или железобетонные колонны.

Если расстояние между колоннами (продольный шаг колонн) больше расстояния между стропильными фермами (шага ферм), то последние опираются на колонны и подстропильные фермы.

Пролеты стропильных ферм (поперечный шаг колонн) принимают равными 18, 24, 36, 42, 48 м, а шаг — 6 или 12 м.

В случае прогонного решения по верхним поясам стропильных ферм укладывают стальные прогоны, несущие стальной профилированный настил или асбестоцементные волнистые листы. При шаге стропильных ферм 6 м применяют прогоны из прокатных двутавров или швеллеров.

При беспрогонном решении железобетонные кровельные плиты или стальные панели, имеющие размер 3 х 6 м, укладываются на стропильные фермы.

Рис. 2. Очертания ферм и их решеток.

а- треугольная; б- трапециевидная; в- с параллельными поясами; г- полигональная; д- раскосная решетка; е- раскосная решетка со стойками; ж- раскосная решетка с подвесками; и- шпренгельная решетка; к- крестовая решетка; л- ромбическая решетка; м- полу раскосная решетка.

Конструкции ферм. (Рис.2.) Стропильная ферма состоит из поясов верхнего и нижнего и элементов решетки — раскосов и стоек. Первые, опорные раскосы решетки называют, в зависимости от направления от опоры, всходящими или нисходящими. Опорные стойки изготовляют отдельно от ферм и соединяют с ними на болтах при монтаже. Восходящие опорные раскосы имеют подкосы, предохраняющие первые панели верхних поясов от повреждений при транспортировании и монтаже.

Конструкции колонн. Колонны совместно со стропильными фермами образуют поперечные рамы, являющиеся основными несущими конструкциями каркаса. Поперечные рамы воспринимают нагрузку от кровли, снега, кранов и ватера и, кроме того, обеспечивают жесткость каркаса здания в поперечном направлении.

Неизменяемость каркаса в продольном направлении создается устройством связей колонн, каждая из которых состоит из распорок и решетчатых систем, элементы которых имеют тавровое сечение из двух уголков и располагается между двумя колоннами. Остальные колонны соединяются со связями при помощи распорок, имеющих крестовое сечение из двух уголков, и подкрановых балок, выполняющих роль распорок.

Связи колонн воспринимают ветровую нагрузку, передаваемую на торцы здания, и усилия от продольного торможения кранов. Колонны опираются не железобетонные фундаменты и передают на них нагрузки через базы, развитые в плоскости поперечных рам и снеженные анкерными болтами.

При за значительных размерах зданий для уменьшения напряжений, вызываемых температурными деформациями конструкций каркаса, необходимо устройство температурных швов: поперечных и продольных. Поперечные температурные швы образуются парк колоннам у опор строительных ферм. Температурные швы делят здание на части, называемые температурными отсеками. Предельные размеры температурных отсеков при стальных колоннах.

Чтобы обеспечить свободу температурных деформаций конструкций каркаса, необходимо располагать связи колонн в середине длины здания или его температурных отсеков. При длине температурного отсека, близкой к предельной, рекомендуется располагать связи колонн в двух панелях, расстояния между которым (в осях) не должны превышать 50 м для зданий и 30 м для открытых эстакад.

Подкрановые балки. В зависимости от характера работы, мостовые краны разделяются на краны легко, среднего и тяжелого режимов работы. Режим работы кранов зависит от коэффициента использования в течение года, числа включений в час, температуры окружающей среды, степени динамичности при эксплуатации и др. Пролеты подкрановых балок равны продольному шагу колонн — 6,12,18 или 24 м. Подкрановые балки выполняются в большинстве случаев в виде сварных двутавров из трех листов.

По сравнению с рассмотренными в гл. 6 балками перекрытий подкрановые балки обладают следующими особенностями. Они воспринимают не только вертикальные нагрузки от массы крана и поднимаемого груза, но и горизонтальные усилия, вызываемые торможением тележки крана. Поэтому подкрановые балки, не связанные с другими конструкциями, должны обладать необходимой жесткостью в горизонтальной плоскости, что достигается уши рением верхних поясов балок или устройством в их плоскости тормозных ферм. Кроме того, подкрановые балки воспринимают подвижные сосредоточенные динамические нагрузки, передаваемые колесами крана; это заставляет при конструировании балок предусматривать мероприятия, уменьшающие влияние концентрации напряжений, например, применение К- образных швов, обеспечивающих полный провар швов.

Подкрановые балки для легко и среднего режимов кранов выполняются из стали марки ВС3пс6, а для тяжелого режима работы — из стали марки ВСт3сп6 или из низколегированных сталей марок 09Г2С или 15ХСНД. Экономически оправдано применение балок, в которых стенка выполняется из стали марки ВСт3пс6, а пояса — из низколегированных сталей.

6. Стандартные сортаменты из материалов

Сортамент. Металлические конструкции изготовляют из элементов, получаемых покатой (листы и профильная сталь), прессованием (прессованные профили).

Иногда применяют литые детали, например, для опорных частей тяжелых конструкций. Элементы металлических конструкций имеют различные профили и размеры поперечных сечений, которые приведены в соответствующих сортаментах. На рисунке 2. приводится наиболее распространенные стандартные сортаменты -профили, имеющие заводское производства

Сталь толстолистовая — толщина 4-160 мм, применяется для изготовления листовых конструкций (резервуаров, газгольдеров и др.), стенок балок, фасонок ферм и др.

Сталь тонколистовая — толщины 0,5 -4 мм, используется для изготовления гнутых профилей, устройства покрытий и.т.п.

Сталь широкополосная универсальная — толщиной 4-60 мм применяется для изготовления сварных балок и колонн.

Профильная сталь. Уголковые профили — равнополочные и не равнополочные имеют размеры полок до 250 мм и применяются для изготовления ферм и других решетчатых конструкций. Швеллеры бывают обыкновенные с высотой сечения до 400 мм и облегченные с более тонкой стенкой и высотой до 300 мм. Двутавры также выпускаются обыкновенные и облегченные высотой соответственно до 700 и 300 мм. Кроме того, двутавры изготовляются широкополочными высотой сечения до 1000 мм. Швеллеры и двутавры предназначаются для изготовления балок и колонн.

Гнутые профили изготовляются холодным способом (гнутьём или прокаткой) из листов толщиной 2-10 мм. Профили предназначены для изготовления легких конструкций и могут иметь различную форму. Преимущество гнутых профилей по сравнению с прокатными — их большая жесткость. Фермы из гнутых профилей легче ферм из прокатных уголков примерно на 10%.

Электросварные трубы с толщиной 4-16 мм и диаметром 60-500 мм применяются преимущественно для изготовления ферм.

Листы из алюминиевых сплавов при толщине до 5 мм получают холодной прокатной, а при большой толщине — с нагревом слитков. Профили изготовляют матрицу с отверстием, соответствующим форме профиля. Прессование позволяет получать профили любой формы с минимальными толщи нами стенок. Вследствие низкого модуля продольной упругости алюминиевых сплавов необходимо увеличивать жесткость кромок прессованных профилей. Это достигается усилением полок профилей бульбами.

Стоимость прокатных профилей составляет 95-170 руб./т, электросварных труб — 200 — 300 руб./т, а гнутых профилей — 105-120 руб./т.

Характеристика основных профилей сортамента. Первичным элементом стальных конструкций является прокатная сталь, которая выплавляется на металлургических заводах. Прокатная сталь, применяемая в стальных конструкциях, делится на две группы: сталь листовая — толстая, тонкая и универсальная; сталь профильная — уголки, швеллеры, двутавры, тавры, трубы и т.п. Изготовление на заводах металлических конструкций, различные элементы конструкций (балки, колонны, фермы и т.п.) собираются на строительных площадках в конструктивных комплексах — сооружения. Наличие готовых прокатных элементов и машинная их обработка на заводах обеспечивают индустриальное изготовление конструкций (Рис. 3).

Сталь листовая. Листовая сталь широко применяется в строительстве, она классифицируется следующим образом:

• сталь толстолистовая (ГОСТ 19903-74 с изм.).

Сортамент этой стали включает листы толщиной 04 до 160 мм, шириной от 600 до 3800 мм. Однако ходовая ширина не превышает 2400 мм. Листовая горячекатаная сталь поставляется в листах длиной 6-12 м. И толщиной до 160 мм или в рулонах толщиной от 1,2 до 12 мм и шириной от 500-2200 мм. Листы толщиной от 6-26 мм. Имеют градацию по толщине через 1 мм, далее через 2,3,5 и 10 мм. Толстая листовая сталь имеет широкое применение в листовых конструкциях, а также в элементах сплошных систем (балках, колоннах, рамах и т.п.);

• сталь тонколистовая толщиной до 4 мм прокатывается холодным и горячим способами. Холодная сталь (ГОСТ 19904-74 с изм.).

  Тонкая значительно дороже горячекатаной (ГОСТ 19903-74, с изм.).

  Тонкая листовая сталь применяется при изготовлении гнутых и штампованных тонкостенных профилей, для кровельных покрытий и т.п. Из холоднокатаной, оцинкованной, рулонированной стали изготовляются профилированные настилы;

• сталь широкополочная универсальная (ГОСТ 8200-70)

благодаря прокату между четырьмя валками имеет ровные края. Толщина такой стали от 6 до 60 мм, ширина от 200 до 1050 мм и длина от 5 до 12 м. Применение универсальной стали уменьшает трудоёмкость изготовления конструкция, так как не требуются резка и выравнивание кромок строжкой.

Уголковые профили прокатывают в виде равнополочных (ГОСТ 8509-72, с изм.) и неравнополочных (ГОСТ 8510-72, с изм.) уголков (см. рис.4,1 б).

Сортамент уголков весьма обширен от малых профилей с площадью сечения 1-1,5 квадратных см. до мощных профилей с площадью сечения 140 кв.см. Полки уголков имеют параллельные грани, что облегчает конструирование. Широкое применение уголки имеют в легких сквозных конструкциях. Рабочие стержни из уголков обычного компонуются в симметричные сечения из двух или четырех уголков (рис. 4.2, а).

Более экономичны уголки с меньшими толщинами полок. В сжатых стержнях сечения, составленные из тонких уголков, обладают большей устойчивостью. В стержнях с отверстиями для болтов ослабление сечения отверстий тем меньше, чем тоньше полки.

Швеллеры. Геометрические характеристики сечения швеллеров определяются его номером, который соответствует высоте стенки швеллера (в сантиметрах).

Сортамент (ГОСТ 8240-72, с изм.) включает швеллеры от № 5 до № 40 с уклоном внутренних граней полок. Уклон внутренних граней полок затрудняет конструирование. В ГОСТ входят и швеллеры с параллельными гранями полок, сечение которых имеет лучшие расчётные характеристики относительно осей Х и Y и более конструктивны, так как упрощают болтовые укрепления к полкам. Швеллеры применяются в мощных стержневых конструкциях (мостах, большепролётных фермах и т.п.), а также в колоннах, связях и кровельных прогонах.

Стержни из швеллеров, работающие на осевую силу, компонуются в жёсткие относительно осей Х и Y симметричные сечения (рис. 4.2, б).

Двутавры. Двутавры — основной балочный профиль — имеют наибольшее разнообразие по типам, которые соответствуют определённым областям применения.

Балки двутавровые обыкновенные (ГОСТ 8239-72 с изм.) также, как и швеллеры имеют уклон внутренних граней полок. Стенки у крупных двутавров имеют минимальную толщину, по условиям устойчивости достигают 1/55 высоты двутавра. Чем тоньше стенки, тем выгоднее сечение балки при работе её на изгиб. Двутавры применяются в изгибаемых элементах (балках), а также в ветвях решётчатых колон и различных опор, где для их устойчивости применяются основные сечения (см. рис. 4.2, в).

Балки двутавровые широкополочные имеют параллельные грани полок. Широкополочные двутавры прокатываются трёх типов: нормальные двутавры (Б), широкополочные двутавры (Ш), колонные двутавры (К).

Высота балочных профилей (Б) и (Ш) достигает 1000 мм при отношениях ширины полок к высоте от b: h = 1: 1,65 (при малых высотах) до b: h = 1: 1,25 (при больших высотах).

Конструктивные преимущества (параллельность граней полок и мощность сечений) позволяют применять широкополочные двутавры в виде самостоятельного элемента (балки, колонны, стержни тяжелых ферм), не требующего почти никакой обработки, что снижает трудоёмкость изготовления конструкций в два, три раза.

Тонкостенные профили. Тонкостенные двутавры (ТУ 14-2-205-76) и швеллеры (ТУ 14-2-204-76) прокатываются на непрерывном стане с особо тонкими стенками и полками, что делает их экономичнее обычных прокатных профилей на 14-20%. Тонкостенные профили имеют высоту от 120 до 300 мм и полки с параллельными гранями. Применяются тонкостенные профили в балках площадок, фахверках, в легких перекрытиях и покрытиях.

Трубы. Стальные трубы, применяемые в строительстве, бывают круглые — горячекатаные (ГОСТ 8732-78 с изм.) и электросварные (ГОСТ 10704-76 с изм.) прямоугольного и квадратного сечения — электросварные (ТУ 36-22-2287-80 и ТУ 14-2-361-79).

Горячекатаные бесшовные трубы имеют диаметр от 25 до 550 мм с толщиной стенок от 2,5 до 75 мм. Эти трубы применяются главным образом в конструкциях радио- и телевизионных опор.

Круглые электросварочные трубы имеют диаметр от 8 до 620 мм с толщиной стенок от 1 до 16 мм. Эти трубы применяются в элементах радио- и телевизионных опор и в конструкциях покрытий, в особенности, в зданиях с агрессивной средой.

Холодногнутые профили. Гнутые профили изготавливаются из листа ленты или полосы толщиной от 1 до 8 мм. По индивидуальным заказам и техническим условиям металлургических заводов можно получить гнутые профили самой разнообразной формы. Наиболее употребительны равнополочные и неравно полочные уголки, швеллеры С-образные, зетовые, замкнутые квадратного и прямоугольного сечения. Основная область применения — в легких конструкциях покрытие зданий. Где они, заменяя прокатные профили, могут дать экономию металла до 10%.

Различные профили и материалы, применяемые в строительстве. В металлических конструкциях в сравнительно меньшем объёме применяются профили других конфигураций и материалы разного назначения (стальные канаты и проволока); профили для оконных и фонарных переплетов (ГОСТ 7511-73); крановые рельсы (ГОСТ 4121976 с изм.); двутавровые профили для путей подвесного транспорта (ГОСТ 19425-74 с изм.); стальные канаты и высокопрочная проволока для висячих и вантовых конструкций, покрытий зданий и сооружений, висячих и вантовых мостов, в антенно-мачтовых сооружениях и в предварительно напряженных покрытиях; оцинкованный профилированный настил (ГОСТ 14918-80 с изм.).

Рис.3. Строительные профили а) равнобокий уголок,

б) неравнобокий уголок, в) швелер,

г), д) тонкостенные двутавры, е),ж),з) гнутые профили,

и) труба

Профили из алюминиевых сплавов. Строительные профили из алюминиевых сплавов получают прокаткой, прессованием или литьём. Листы, ленты и плиты прокатываются в горячем или холодном состоянии. Листы прокатывают толщиной до 10,5 мм, шириной до 2000 мм. и длиной до 7 метров. Фасоновые профили, в том числе и полые (трубчатые), изготовляют горячим прессованием на гидравлических прессах.

Фермы. Системы ферм и область их применения в строительных конструкциях

Стальные фермы широко применяются в покрытиях промышленных и гражданских зданий, ангаров, вокзалов и т.п. Большепролётные мосты, радиобашни и мачты, опоры линий электропередачи и многие другие конструкции выполняются в виде стальных ферм.

Фермы по сравнению со сплошными балками экономичны по затрате металла, им легко придают любые очертания, требуемые условиями технологии, работы под нагрузкой или архитектуры, они относительно просты в изготовлении.

Фермы применяют при самых разнообразных нагрузках: в зависимости от назначения им придают самую разнообразную конструктивную форму — от легких, прутковых конструкций до тяжёлых ферм, стержни которых могут компоноваться из нескольких элементов крупных профилей или листов. Наибольшее распространение имеют разрезные балочные фермы как самые простые в изготовлении и монтаже. Неразрезные и консольные системы ферм рациональны при большой собственной массе инструкции, так как в этом случае они могут дать значительную экономию металла. Кроме того, неразрезные фермы можно применять исходя из требований эксплуатации, так как они обладают большей жёсткостью и могут иметь меньшую высоту.

Башни и мачты представляют собой вертикальные консольные системы ферм. Соответствующие эксплуатационные или архитектурные требования могут обусловить применение арочных или рамных ферм.

Рис. 4. Типы ферм. а- балочная; б- двупролетная неразрезная; в- двух консольная; г- арочная; д- рамная; е- комбинированная.

Промежуточными между фермой и сплошной балкой являются комбинированные системы, состоящие из балки, усиленной либо снизу подвешенной цепью (шпренгельная балка) или сквозной фермой, либо сверху аркой или фермой. Распор цепи или арки, а также поддерживающее воздействие элементов фермы уменьшают изгибающий момент балки. Комбинированные системы просты в изготовлении и рациональны в тяжёлых конструкциях, а также в конструкциях с подвижной нагрузкой. Возможность использования в комбинированных системах дешёвых прокатных балок благоприятно сказывается на стоимости и трудоёмкости изготовления этих систем. металлический сталь коррозия здание

Эффективность ферм и комбинированных систем можно значительно повысить, создав в них предварительное напряжение.

В фермах подвижных крановых конструкций и покрытий больших пролётов, где уменьшение веса конструкций даёт большой экономический эффект, возможно применение алюминиевых сплавов. В дальнейшем подробно рассматриваются в основном стропильные фермы, наиболее широко применяемые в промышленном и гражданском строительстве.

7 . Конструкции больше пролётных и многоэтажных каркасных зданий

Большие пролёты, перекрываемые металлическими конструкциями, применяются в зданиях общественного и специального назначения и производственных зданиях.

Здания общественного назначения — театры, выставочные павильоны, концертные и спортивные залы, крытые стадионы, рынки, вокзалы и т.п. — имеют большие пролёты, обусловленные как эксплуатационными, так и архитектурными требованиями.

Различия в назначении большепролётных сооружений, условиях их эксплуатации и предъявляемых к ним архитектурных требованиях определяет применение весьма разнообразных конструктивных решений — балочных, рамных, арочных, пространственных и висячих — вантовых. Балочные и рамные системы чаще используются в большепролётных перекрытиях зданий с прямоугольным планом. Арочные системы имеют преимущество в архитектурном отношении: они экономичны при пролётах 80 м. и более. Наиболее экономичны по затрате металла пространственные системы в виде сетчатых или сплошных оболочек и складок, плоских структурных конструкций, куполов или шатров — при круглом или многоугольном плане здания.

Высотные сооружения. Высотными принято называть сооружения, высота которых намного превыше их размеров в поперечном сечении. К высотным сооружениям относятся высотные здания, опоры антенных сооружений связи (радио и телевидения), опоры воздушных линий электропередачи и открытых распределительных устройств, телевизионные и вытяжные башни, вентиляционные и дымовые трубы, осветительные и метеорологические вышки, маяки, водонапорные башни и т.п.. По конструктивной схеме все высотные сооружения могут быть разделены на два основных вида — башни и мачты.

Башни в большинстве случаев проектируют решётчатыми в виде пространственных ферм трёх или четырёхгранного, реже многогранного очертания. С увеличением числа граней расход металла возрастает.

Ширина башни у основания назначается в достаточно широких пределах — от 1/12 до 1/6 высоты исходя из необходимости обеспечения требуемой жёсткости и экономических сооружений.

Мачта состоит из ствола, опирающегося на центральный фундамент, и оттяжек, закреплённых в анкерных фундаментах. Число ярусов крепления оттяжек к стволу и расстояние между ними принимаются в зависимости от высоты и назначения сооружения.

Литература

[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/kontrolnaya/metallokonstruktsii/

1. Гребенник, Р. А. Монтаж стальных и железобетонных строительных конструкций / Р.А. Гребенник, В.Р. Гребенник. — М.: Academia, 2009. — 288 c.

2. ЕНиР. Сборник Е8. Отделочные покрытия строительных конструкций. Выпуск 1. Отделочные работы. — М.: Стройиздат, 2015. — 160 c.

3. Коробко, В. И. Контроль качества строительных конструкций. Виброакустические технологии. Учебное пособие / В.И. Коробко, А.В. Коробко. — М.: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2012. — 288 c.

4. Сизов, В.Н. Монтаж строительных конструкций / В.Н. Сизов, В.С. Тимофеевич, В.М. Усенко. — М.: Высшая школа, 2017. — 408 c.

5. Чернов, Ю. Т. Вибрации строительных конструкций / Ю.Т. Чернов. — М.: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2006. — 288 c.