Область применения металлических конструкций

Область применения металлических конструкций

Широко используется металл в высотных и повышенной этажности зданиях для несущих колонн и ригелей, которые затем обетонируются. Стальные конструкции в виде готовых пространственных элементов завозят с заводов, устанавливают на место, соединяя их между собой на сварке.

 

Конструкции такого типа применяют в строительстве для монолитных фундаментов высотных и уникальных зданий.

Кроме того, в строительстве применяются различные крепления, металлические профильные фермы, вкладыши, анкеры и другие закладные детали в балках, пролетных строениях мостовых конструкций.

 

В жилищном строительстве стальные соединения для крепления конструкций находят применение почти на каждом объекте. Прочности креплений, защите и неизменяемости закладных деталей придается исключительно большое значение; от их надежности и долговечности зависит устойчивость здания в целом.

 

Немало зданий перекрыто деревянными конструкциями с металлическими затяжками, связями и другими стальными элементами. Стальные конструкции используются также в тех случаях, когда приходится усиливать реконструируемые, ослабленные или утратившие первоначальную прочность части зданий.

 

Основные особенности металлических конструкций. Достоинства и недостаки.

Основные особенности металлических конструкций - это невысокая металлоемкость, хорошие экспортные возможности, стабильная в течение длительного времени номенклатура и большая степень заводской готовности. Из-за вышеописанных особенностей конструкции дают отличные экономические показатели.

Достоинства:

Основными достоинствами металлических конструкций являются:

высокая несущая способность — возможность воспринимать значительные нагрузки при относительно небольших сечениях вследствие значительной прочности металла;

высокая надежность, так как конструкции могут быть рассчитаны достаточно точно,

легкость и транспортабельность

Недостатки:

К недостаткам металлических конструкций относится низкая коррозиестойкость и огнестойкость. Эти недостатки иногда требуют применения специальных коррозиестойких сталей и специальных защитных покрытий, предохраняющих их от коррозии и относительно высоких (более 400 °С) температур.

 

 

Основные направления развития металлоконструкций

 

В настоящее время научные исследования в области металлических конструкций проводятся по нескольким направлениям:

 

технико-экономические исследования; теория формообразования; теория сооружений; теория технологических процессов; теория методов монтажа.

 

Технико-экономические исследования проводятся по четырем направлениям, которые в ближайшие годы должны получить дальнейшее развитие:

 

1) оптимизация перспективного планирования отрасли металлостроительства; 2) экономика промышленного производства строительных металлических конструкций; 3) разработка и совершенствование сметных нормативов и ценообразования в области металлостроительства; 4) экономика проектных решений металлических конструкций.

 

К основным работам первого направления за последние годы относятся:

 

1) разработка предложений по развитию металлических конструкций; 2) разработка оптимального перспективного плана размещения производства стальных строительных конструкций; 3) разработка схемы размещения заводов алюминиевых строительных конструкций.

 

Большое значение для совершенствования прогнозов в области развития металл строительства имеет разработка обоснованных предложений по экономии металла в связи с осуществлением мероприятий технического прогресса и применением эффективных материалов.

4) Диаграмма работы стали на растяжение и сжатие

Под работой стали на сжатие понимают работу на сжатие коротких элементов, которые не могут потерять устойчивость, т. е. получить изгиб на длине. Напряжение в сжатом элементе определяют так же, как и в растянутом

Концентрация напряжений

В местах искажения сечения (у отверстий, выточек, надрезов, утолщений и т. п.) происходит искривление линий силового потока и их сгущение около пре­пятствий (рис. 2.6), что приводит к повышению напряжений в этих местах.

Рис.2.6. Траектория и концентрация напряжений у мест резкого изменения формы элемента

а -около отверстий; б -около трещины; в -в сварном соединении лобовыми швами

 

Отношение максимального напряжения в местах концентрации к номинальному, равномерно распределенному по ослабленному сечению, называется коэффициентом концентрации. Коэффициент концентрации у круглых отверстий и полукруглых выточек имеет значение 2-3. В местах острых надрезов оно выше и тем больше, чем меньше радиус кривизны надреза и чем гуще собирается в этих местах силовой поток; коэффициент концентрации в этом случае достигает значения 6-9.

Развитие пластических деформаций и разрушение при равномерном распределении напряжений происходят под воздействием касательных напряжений, наибольшее значение которых возникает на плоскостях, наклонных под углом 45° к действующей силе (зона 1 ). При резком перепаде напряжений (зона 2) общие сдвиговые деформации происходить не могут (из-за задержки соседними, менее напряженными участками), поэтому в этих областях металл разрушается путем отрыва по плоскостям, нормальным к действующей силе.

При статических нагрузках и нормальной температуре концентрация напряжений существенного влияния на несущую способность не оказывает (не учитывая некоторого повышения разрушающей нагрузки). Поэтому при расчетах элементов металлических конструкций при таком виде воздействиях их влияние на прочность не учитывается.

При понижении температуры прочность на разрыв гладких образцов повышается во всем диапазоне отрицательных температур; прочность же образцов с надрезом повышается до некоторой отрицательной температуры, а затем понижается.

При длительном воздействии нагрузки сопротивление разрушению понижается.

Испытаниями установлено, что конструкции из низколегированных, особенно термоупрочненных сталей сопротивляются разрушению лучше, чем малоуглеродистые стали.

13:

Работа стали при изгибе

В изгибаемом элементе нормальные "напряжения распределяются по сечению неравномерно (как известно, в стадии упругой работы — по линейному закону): максимальные напряжения будут в фибровых (крайних) волокнах, по нейтральной оси они равны нулю. Если изгибающий момент будет продолжать увеличиваться, напряжения в крайних волокнах вследствие развития пластических деформаций останутся равными ат, а дополнительный момент будет восприниматься менее напряженными волокнами, расположенными ближе ^нейтральной оси. Наконец, Наступит время, когда напряжения по всему сечению балки будут равными пределу текучести — образуется так называемый шарнир пластичности и балка превратится в статически изменяемую "систему. Несущая способность балки полностью исчерпана.

Для разрезных прокатных и сварных (постоянного сече- по длине) балок, воспринимающих статическую нагрузку, закрепленных от потери общей устойчивости, а также при условии, что касательные напряжения в месте наибольшего изгибающего момента не превышают 0,3 расчетного сопротивления,нормы допускают развитие пластических деформаций.

В балках при изгибе, как известно, кроме нормальных возникают и касательные напряжения. Значения их изменяются как по длине балки, так и по высоте сечения. Так, для балки с шарнирными опорами при равномерно распределенной нагрузке на опоре изгибающий момент и нормальные напряжения равны нулю, в середине пролета М и а — максимальные. Касательные напряжения, являющиеся функцией поперечной силы, будут максимальными в опорном сечении и равными нулю в середине пролета балки.

Во всех остальных сечениях между опорой и серединой балки одновременно действуют нормальные и касательные напряжения. В этой зоне балки и в первую очередь в балках с измененным по длине сечением необходимо определять их суммарные значения — приведенные напряжения.

14-15:

Вопросик

Вопросик

Уголковые профили

Уголковые профили прокатывают в виде равнополочных (ГОСТ 8509-72 с изм.) и неравнополочных (ГОСТ 8510-72 с изм.) уголков Сортамент уголков весьма обширен: от очень малых профилей с площади сечения 1-1,5 см² до мощных профилей с площадью сечения 140 см². Полки уголков имеют параллельные грани, что облегчает конструирование. Широкое применение уголки имеют в легких сквозных конструкциях. Рабочие стержни из уголков обычно компонуются в симметричные сечения из двух или четырех уголков. 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 отверстиями 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.

----Двутавры Двутавры-основной балочный профиль-имеют наибольшее разнообразие по типам, которые соответствуют определенным областям применения.

Балки двутавровые обыкновенные (ГОСТ 8239-72 с изм.) так же, как и швеллеры имеют уклон внутренних граней полок и обозначаются номером, соответствующим их высоте в сантиметрах. В сортамент входят профили от № 10 до № 60.

--------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 пзм.), прямоугольного и квадратного сечения-электросварные (ТУ36-2287-80 и ТУ14-2-361-79).

Горячекатаные бесшовные трубы имеют диаметр от 25 до 550 мм. Круглые электросварные трубы имеют диаметр от 8 до 1620 мм

--------Холодногнутые профили Гнутые профили изготовляются из листа лепты 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 равнонолочные и неравнополочные уголки, швеллеры, с-образные, зетовые, замкнутые квадратного и прямоугольного сечения. Основная область применения- в легких конструкциях покрытий 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 объеме применяются профили других конфигураций и материалы разного назначения (стальные канаты и проволока): профили для оконных и фонарных переплетов (ГОСТ 7511-73); крановые рельсы (ГОСТ 4121-76 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.).

--------Профили из алюминиевых сплавовСтроительные профили из алюминиевых сплавов получают прокаткой, прессованием или литьем. 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 м. Фасонные профили, в том числе и полые (трубчатые), изготовляют горячим прессованием на гидравлических прессах.Наиболее распространенное на заводах оборудование требует, чтобы профили вписывались в круг диаметром 320 мм (в отдельных случаях 530 мм). На современном прессовом оборудовании можно изготовлять профили площадью сечения от 0,5 до 300 см² Гнутые профили изготовляют из листов и лент толщиной до 4 мм гнутьем их в холодном состоянии.

 

Вопросик

Длинномерные швы в конструкциях (поясные швы балок, колонн и др.) выполняются в заводских условиях автоматической сваркой под флюсом. Флюс защищает изделие от вредного воздействия окружающей среды на металл соединения. При этом механизированы два рабочих движения: подача

электродной проволоки и относительное перемещение дуги и изделия. К недостаткам автоматической сварки можно отнести затруднительность выполнения швов в вертикальном и потолочном положении, что ограничивает ее применение на монтаже.

Короткие швы (приварка ребер, сварка узлов в решетчатых конструкциях) выполняют полуавтоматической сваркой. При этом автоматически подается сварочная электродная проволока, а передвижение дуги по изделию производится вручную. Полуавтоматическую сварку стальных конструкций чаще выполняют в среде защитного газа (углекислый газ). Реже применяют сварку порошковой проволокой.

В ряде случаев используют ручную сварку качественными электродами, т.е. с качественным покрытием (толстым покрытием). При ручной дуговой сварке оба главных рабочих движения – подача электродной проволоки и передвижения дуги по изделию – выполняются вручную.

Ручная электродуговая сварка универсальна и широко распространена, так как может выполняться в любом положении. К недостаткам ручной сварки относятся меньшая глубина проплавления основного металла, меньшая производительность процесса из-за относительно низкой величины применяемого сварного тока, а также меньшая стабильность ручного процесса по сравнению с автоматической сваркой под флюсом.

Электрошлаковая сварка - разновидность сварки плавлением; этот тип сварки удобен для вертикальных стыковых швов металла толщиной от 20 мм и более. Процесс сварки ведется голой электродной проволокой под слоем расплавленного шлака, сварочная ванна защищена с боков медными формирующими шов ползунами, охлаждаемыми проточной водой. Качество шва получается очень высокое.

Ванная сварка – разновидность электрошлаковой, применяется в некоторых случаях при сварке арматуры большой толщины в железобетонных конструкциях.

Вопросик

РАСЧЕТНЫЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

2.1 (3.4). Расчетные сопротивления сварных соединений для различных видов соединений и напряженных состояний следует определять по формулам, приведенным в табл. 3 СНиП II-23-81.

2.2. Расчетные сопротивления сварных соединений, определенные по формулам, которые приведены в главе СНиП II-23-81, обеспечиваются при соблюдении следующих условий:

подготовка материалов, сборка конструкций, сварка и контроль качества осуществляются в соответствии с требованиями главы СНиП III-18-75; сварочные материалы для стыковых соединений соответствуют прочности свариваемой стали и условиям эксплуатации конструкций и применяются в соответствии с табл. 1 прил. 1;

сварочные материалы для расчетных угловых швов применяются в соответствии с табл. 2 прил. 1 с учетом условий эксплуатации конструкций, указанных в табл. 1 прил. 1.

2.3. Расчетные сопротивления стыковых соединений, выполняемых всеми видами дуговой сварки, принимаются равными расчетным сопротивлениям стального проката при условии физического контроля качества швов в растянутых элементах и соблюдении требований п. 13.42 главы СНиП II-23-81 об обеспечении полного провара соединяемых элементов путем двухсторонней сварки, односторонней с подваркой корня шва или односторонней сварки на подкладке.

В случаях, когда в стыковых соединениях невозможно обеспечить полный провар элементов, рекомендуется принимать R_wy =0,7 R_у.

2.4. Несущая способность сварных соединений с угловыми швами зависит от ориентации шва относительно направления усилия, действующего на соединение. Однако учет этой зависимости существенно усложняет расчет соединения, в связи с чем расчетные сопротивления соединений с угловыми швами в главе СНиП II-23-81 приняты для наименее благоприятной ориентации (флангового шва) и независимыми от величины угла между продольной осью шва и направлением силового вектора, действующего на него.

2.5. Предельным состоянием для сварных соединений с угловыми швами является опасность разрушения. В связи с этим их расчетные сопротивления установлены по временному сопротивлению металла: для металла шва - в зависимости от нормативного сопротивления металла шва R _wf = f (R_wun); для металла границы сплавления - в зависимости от нормативного сопротивления основного металла R _wz = f (R_un).

Вопросик

Вопросик

Вопросик

Конструктивные требования к сварным соединениям элементов стальных конструкций

 

Сварные стыковые соединения листовых деталей следует, как правило выполнять прямыми с полным приваром и с применением выводных планок.

Размеры и форму сварных угловых швов следует принимать с учетом следующих условий:

а) катеты угловых швов, k_f, должны быть не менее указанных в табл. 7 приложения, но не более 1,2t, где t – меньшая из толщин свариваемых элементов:

, (1.17)

б) расчетная длина шва должна быть не менее 4 k_f, но не менее 40 мм. Расчетная длина флангового шва должна быть не более 85 (b _f k_f), мм.

, (1.18)

мм, (1.19)

Для элементов ферм наименьшая длина фланговых швов – 60 мм, расстояние между соседними швами на фасонке – не менее 50 мм.

в) при сварке полок прокатных профилей вдоль кромок, имеющих округления, наибольшую толщину углового шва k_f принимают меньше толщины полки:

– для уголков с толщиной полки t 6 мм – k_f = t – 1 мм;

– то же, t = 7 16 мм – k_f = t – 2 мм;

– то же, t > 16 мм – k_f = t – 4 мм;

– для двутавров до N14 и швеллеров N10–12 – k_f 4 мм;

– то же, N 16 – 27 и швеллеров N14 – 27 – k_f 6 мм;

– то же, N 30 – 40 и швеллера N 30 – k_f 8 мм;

– то же, N 45 и швеллеров N 36 – 40 – k_f 10 мм;

– то же, N 50 – 60 – k_f 12 мм.

Рекомендуемые минимальные толщины угловых швов в зависимости от толщины свариваемых элементов, вида сварки и вида соединений приведены в табл. 7 приложения.

– размер нахлестки должен быть не менее 5 толщин наиболее тонкого из свариваемых элементов (рис. 1.2, б);

– соотношение размеров катетов угловых швов чаще всего 1: 1. При разных толщинах свариваемых элементов допускается принимать швы с неравными катетами, при этом катет, примыкающий к более тонкому элементу, должен быть не более 1,2t, t – толщина этого элемента, а примыкающий к более толстому элементу – должен отвечать требованиям табл. 7приложения.

– в конструкциях, воспринимающих динамические и вибрационные нагрузки, а также возводимых в климатических районах I₁, I₂; II₂ и II₃, угловые швы следует выполнять с плавным переходом к основному металлу при обосновании при помощи расчета на выносливость или на прочность, с учетом хрупкого разрушения;

– для прикрепления ребер жесткости, диафрагм и поясов сварных двутавров и конструкции группы 4 допускается применять односторонние угловые швы, катеты,

 

Область применения металлических конструкций

Широко используется металл в высотных и повышенной этажности зданиях для несущих колонн и ригелей, которые затем обетонируются. Стальные конструкции в виде готовых пространственных элементов завозят с заводов, устанавливают на место, соединяя их между собой на сварке.

 

Конструкции такого типа применяют в строительстве для монолитных фундаментов высотных и уникальных зданий.

Кроме того, в строительстве применяются различные крепления, металлические профильные фермы, вкладыши, анкеры и другие закладные детали в балках, пролетных строениях мостовых конструкций.

 

В жилищном строительстве стальные соединения для крепления конструкций находят применение почти на каждом объекте. Прочности креплений, защите и неизменяемости закладных деталей придается исключительно большое значение; от их надежности и долговечности зависит устойчивость здания в целом.

 

Немало зданий перекрыто деревянными конструкциями с металлическими затяжками, связями и другими стальными элементами. Стальные конструкции используются также в тех случаях, когда приходится усиливать реконструируемые, ослабленные или утратившие первоначальную прочность части зданий.