Металлические конструкции

К листовым конструкциям относят также трубопроводы большого диаметра, некоторые сооружения нефтепереработки, доменного и химического производств. 

8. Другие виды  конструкций. Это стальные конструкции  мостовых, башенных, козловых кранов, кранов-перегружателей, отвальных мостов, крупных экскаваторов, строительных  и дорожных машин, затворов  и ворот шлюзов гидротехнических  сооружений, радиотелескопов, антенн  космической связи и др. 

2.2 Достоинства и  недостатки стальных конструкций 

Основными достоинствами  стальных конструкций по сравнению  с конструкциями из других материалов являются надежность, легкость, непроницаемость, индустриальность, а также простота технического перевооружения, ремонта  и реконструкции. 

Надежность стальных конструкций обеспечивается близким  соответствием характеристик стали  нашим представлениям об идеальном  упругом или упругопластическом изотропном материале, для которого строго сформулированы и обоснованы основные положения сопротивления  материалов, теории упругости и строительной механики. Сталь имеет однородную мелкозернистую структуру с одинаковыми  свойствами по всем направлениям, напряжения связаны с деформациями линейной зависимостью в большом диапазоне, а при некотором значении напряжений может быть реализована идеальная пластичность в виде площадки текучести. Все это соответствует гипотезам и допущениям, взятым за основу при разработке теоретических предпосылок расчета, поэтому расчет, построенный на таких предпосылках, в полной мере соответствует действительной работе стальных конструкций. 

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.).