Тема 1. Основи вітчизняної школи проектування металевих конструкцій

Тема 1. Основи вітчизняної школи проектування металевих конструкцій

 

1.1. Короткий історичний нарис розвитку металевих конструкцій в Україні

Будівництво – щонайстародавніша сфера діяльності людства. В усі часи будівельні споруди мали не тільки утилітарне призначення, а й були певним відображенням виробничих відносин і суспільної практики конкретної історичної епохи.

Тисячиліття тривала епоха каміння і деревини, хоч інщі матеріали, в тому числі й метал, застосовувалися в будівельній справі досить давно. Однак лише в середині XIX ст. стало можливим говорити про метали як про будівельні матеріали. Найзначніші споруди подальшого періоду так чи інакше пов¢язані із застосуванням цього чудового будівельного матеріалу.

Міцна металургійна база, що була створена в Україні в XIX ст., відіграла роль каталізатора прискорення процесу впровадження сталевих конструкцій у будівництві. Тільки наприкінці XIX - на початку XX ст. було побудовано багато видатних об¢єктів – заводські корпуси в Донецькому і Придніпровському промислових районах, транспортні споруди (мости, вокзали), громадські будівлі, серед яких найвизначнішими по праву вважаються театри в містах Одесі (1884-1897 рр.), Львові (1897-1900 рр.), Києві (1899-1901 рр.).

З розвитком господарства України потреба в сталевих конструкціях зростала. На відміну від напівкустарних способів їх виготовлення на початку 30-х років стали до ладу спеціалізовані заводи металоконструкцій у містах Дніпропетровську, Донецьку, Маріуполі, Запоріжжі, Макіївці. В цей період відбудовано залізничний міст у м. Києві, мости через р. Дніпро при будівництві ДніпроГЕС, через р. Лопань у м. Харкові. Збудовано великі металургійні заводи (рис. 1.1), найбільш на той час доменні печі (в м. Маріуполі піч №1 виплавляла до 1000 т чавуну за добу), стальні надшахтні копри (рис. 1.2).

Рис. 1.1. Схема поперечника головного корпусу

Переваги і недоліки сталевих конструкцій, галузі їх застосування

 

Основними позитивними якостями сталевих конструкцій є:

1. Висока надійність, яка зумовлена однорідністю металу.

2. Здатність сприймати великі навантаження при відносній легкості.

3. Газо- і водонепроникність, обумовлені великою щільністю сталі.

4. Індустріальність, тобто виготовлення з готових прокатних чи гнутих профілів.

5. Висока заводська готовність, монтаж з мінімальними затратами ручної праці.

Основними недоліками сталевих конструкцій є:

1. Недостатня корозійна стійкість.

2. Мала вогнестійкість. При температурі 600° С сталі повністю переходять у пластичний стан.

Найширше застосовуються стальні конструкції в таких типах споруд:

1. Каркаси будинків промислових споруд.

2. Каркаси багатоповерхових (висотних) цивільних будівель.

3. Конструкції автомобільних та залізничних мостів.

4. Листові конструкції, до яких належать трубопроводи великих діаметрів, ємкості для зберігання рідини (резервуари), газів (газгольдери), сипних матеріалів (бункери і силоси), спеціальні конструкції домен, повітронагрівачів та інших об¢єктів металургійних та хімічних виробництв.

5. Конструкції мостових, баштових кранів.

6. Великопролітні конструкції покрівель ангарів, громадських споруд (ринків, стадіонів, виставочних павільйонів).

7. Вежі та щогли.

8. Інші конструкції (пов'язані з космічними дослідженнями, атомною енергетикою та інше).

Цілі проектування

Проектування є “процес визначення засобів виготовлення продукту, що задовольняє задану потребу”: від перших концептуальних ідей, через вивчення людських намірів, до стадій деталювання і виготовлення, разом із всіма ідеями і дослідженнями, пов'язаними з кресленнями, словами і моделями.

Основні цілі будівельного проектування - це забезпечити щонайкраще:

а) відповідність споруди своєму призначенню й експлуатаційним вимогам протягом всього терміну служби;

б) створення безпечної конструкції, побудованої вчасно, вартість якої не перевищує розрахованої заздалегідь;

в) зручність для користувачів і естетичний зовнішній вигляд для сторонніх спостерігачів.

Ці вимоги можна задовольнити шляхом:

- створення простої копії вже існуючого об'єкта;

- ”винаходу колеса”, тобто проектування кожного елемента системи наново.

Обчислення навантажень і вибір перерізів основних елементів

На цьому етапі визначають постійне навантаження від конструкцій і з огляду на тимчасове навантаження обчисляють:

- реакції від балок і навантаження на колони;

- максимальні згинальні моменти від дії рівномірного навантаження;

- максимальні поперечні сили в балках;

- прогини, наприклад, 5/384 q L4/EI для шарнірно опертої балки.

Розмір колон можна оцінити за подовжньою силою і приблизною розрахунковою довжиною, якщо моменти в колоні малі. Значні згинальні моменти потребують збільшення моменту інерції колони в два і більше разів. Розмір перерізу балок можна оцінити шляхом перевірки згинальної міцності і жорсткості (при обмеженнях на прогини). При необхідності установлення вентканалів або інших інженерних комунікацій, висота балок може бути зменшена або прийняті балки збільшеної висоти з отворами в стінці.

Повинні бути розглянуті методи утворення з'єднань конструктивних елементів: чи робити балки шарнірними або неразрізними, і як це впливає на виготовлення, монтаж і вартість.

Нагляд за будівництвом

Стійкість конструкцій повинна бути забезпечена на всіх стадіях будівництва. Високоякісні структурні компоненти будівлі і кваліфіковані монтажники повинні знаходитися в потрібний час і в потрібному місці, що потребує ретельної організації будівельного виробництва. Усе йде за планом, якщо всі елементи не потребують підгонки для свого монтажу.

Виконання обслуговування

Тільки проведення регулярного обслуговування, старанно спланованого на стадії проектування, може забезпечити необхідну довговічність будівель. Можуть знадобитися подальші зміни і реновація будівлі через зміну її призначення. Коригування допущених при проектуванні помилок звичайно вважається неприпустимим явищем.

Задачі проектування

Основна задача, яку повинен вирішити проектувальник у процесі розробки проекту, - це запобігання руйнування елементів і вузлів конструкції. Це досягається шляхом забезпечення міцності, стійкості і цілісності всіх конструкцій будівлі і їхніх елементів. Останнє досягається добором несучої здатності, що враховує індивідуальні особливості. Загальну стійкість оцінити значно важче і вона повинна бути старанно розглянута на ранніх стадіях проектування. У крайньому разі, стійкість будівлі визначається умовою: конструкція не повинна руйнуватися внаслідок малих змін у формі, навантаження, а також від випадкових впливів. Для цього встановлюють зв'язки, забезпечують чіткий шлях передачі навантаження від місця прикладання до фундаментів і т.д.

Існує також багато інших аспектів роботи конструкцій, що потребувають розгляду при проектуванні. Не всі ці аспекти піддаються обчисленню, проте для успіху проекту, проектувальник повинен вирішити, які аспекти розглядати, а які ігнорувати, які є основними, а які достатньо просто перевірити. Ці аспекти полягають у наступному:

1. Деформації.

Прогини конструкцій визначаються більше жорсткістю, ніж міцністю. Великі прогини можуть викликати такі небажані ефекти як руйнування оброблення, скупчення води і протікання, порушення роботи кранового устаткування і т.п.

Звичайний підхід уникнути цього необхідно перевіряти, чи обчислені прогини не будуть перевищувати гранично допустимі. Хоч обчислені прогини не пророкують точне значення, вони визначають міру жорсткості для конструкції і тому дають придатну оцінку роботи конструкцій. Для деяких конструкцій допустимі прогини є визначальним чинником при призначенні їхніх розмірів.

2. Вібрація.

Вібраційні характеристики конструкцій, як і прогини, залежать від їхньої жорсткості. Вібрація може призводити до зниження терміну служби конструкцій і фізіологічно впливати на людей. Принципом проектування є прийняття такого конструктивного рішення, при якому власна частота коливань істотно відрізняється від частоти діючого джерела, такого як машини, вітер. Цього дозволяє уникнути резонанс, тобто потрібно зменшити амплітуду коливань конструкцій.

3. Вогнестійкість.

Основна вимога щодо вогнестійкості полягає в тому, щоб цілісність конструкції зберігалася протягом визначеного часу, достатнього для евакуації службовців і гасіння пожежі без небезпеки руйнування конструкцій. Традиційна стратегія полягає в тому, щоб захистити конструкції від впливу вогню шляхом обетонування, штукатурення іншими методами. На даний час з'явилися нові способи, що підвищують вагу конструктивного рішення для нормальних умов, але значно знижують вартість захисту конструкцій. У будь-якому випадку, питання вогнезахисту повинні бути розглянуті на самій ранній стадії проектування.

4. Втома.

Коли конструкція або її елементи схильні до значних змін напружень, виникає явище втоми - руйнація, що відбувається після великої кількості циклів напружень з рівнем, меншим ніж нормальна статична міцність. Конструкції, що працюють у таких умовах, повинні бути відповідним способом розраховані і запроектовані.

5. Будівництво.

Для прискорення будівництва часто буває необхідно прийняти менш ефективне конструктивне рішення (напр. однакові балки перекриття). Важливо, щоб конструкції не розглядалися ізольовано, а як частина всієї будівлі, включаючи інженерні комунікації, огородження й облицювання. Установлення інженерного устаткування може займати багато часу і важливо відповідним чином змінити конструкції, щоб полегшити виконання цих робіт.

6. Обслуговування.

Всі конструкції повинні регулярно обстежуватися й обслуговуватися з урахуванням їхніх особливостей. У випадку несприятливих умов, що сприяють розвитку корозії, легкість обслуговування і контролю є важливими критеріями при прийнятті конструктивних рішень. Для цього намагаються уникати утворення недоступних частин у конструкції; ділянок скупчення бруду і вологи, а використовувати прокатні або замкнуті перерізи замість гратчастих конструкцій.

Тема 1. Основи вітчизняної школи проектування металевих конструкцій

 

1.1. Короткий історичний нарис розвитку металевих конструкцій в Україні

Будівництво – щонайстародавніша сфера діяльності людства. В усі часи будівельні споруди мали не тільки утилітарне призначення, а й були певним відображенням виробничих відносин і суспільної практики конкретної історичної епохи.

Тисячиліття тривала епоха каміння і деревини, хоч інщі матеріали, в тому числі й метал, застосовувалися в будівельній справі досить давно. Однак лише в середині XIX ст. стало можливим говорити про метали як про будівельні матеріали. Найзначніші споруди подальшого періоду так чи інакше пов¢язані із застосуванням цього чудового будівельного матеріалу.

Міцна металургійна база, що була створена в Україні в XIX ст., відіграла роль каталізатора прискорення процесу впровадження сталевих конструкцій у будівництві. Тільки наприкінці XIX - на початку XX ст. було побудовано багато видатних об¢єктів – заводські корпуси в Донецькому і Придніпровському промислових районах, транспортні споруди (мости, вокзали), громадські будівлі, серед яких найвизначнішими по праву вважаються театри в містах Одесі (1884-1897 рр.), Львові (1897-1900 рр.), Києві (1899-1901 рр.).

З розвитком господарства України потреба в сталевих конструкціях зростала. На відміну від напівкустарних способів їх виготовлення на початку 30-х років стали до ладу спеціалізовані заводи металоконструкцій у містах Дніпропетровську, Донецьку, Маріуполі, Запоріжжі, Макіївці. В цей період відбудовано залізничний міст у м. Києві, мости через р. Дніпро при будівництві ДніпроГЕС, через р. Лопань у м. Харкові. Збудовано великі металургійні заводи (рис. 1.1), найбільш на той час доменні печі (в м. Маріуполі піч №1 виплавляла до 1000 т чавуну за добу), стальні надшахтні копри (рис. 1.2).

Рис. 1.1. Схема поперечника головного корпусу