1 область применения металлических конструкций

Обновлено: 17.05.2024

Понятие «ме­таллические конструкции» включает в себя их конструктивную форму, технологию из­готовления и способы монтажа. Уровень развития металлических конструкций опреде­ляется, с одной стороны, потребностями в них экономики, а с другой — возможностя­ми технической базы: развитием металлургии, металлообработки, строительной науки и техники

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

Первый период (с XII до начала XVII в.) характеризуется применением металла, в уникальных по тому времени сооружениях (дворцах, церквах и т.п.) в виде затяжек и скреп для каменной кладки. Затяжки выковывали из кричного железа и скрепляли че­рез проушины на штырях.

Второй период (с начала XVII до конца XVIII в.) связан с применением наклонных металлических стропил и пространственных купольных конструкций («корзинок») глав церквей (рис. В2). Стержни конструкций выполнены из кованых брусков и соединены на замках и скрепах горновой сваркой. Конструкции такого типа сохранились до наших дней.

Третий период (с начала XVIII до середи­ны XIX в.) связан с освоением процесса ли­тья чугунных стержней и деталей. Строятся чугунные мосты и конструкции перекрытий гражданских и промышленных зданий. Соединения чугунных элементов осуществляются на замках или болтах.

Четвёртый период (с 30-х годов XIX в. до 20-х го­дов XX в.) связан с быстрым техническим прогрес­сом во всех областях техники того времени, в част­ности в металлургии и металлообработке. В начале XIX в. кричный процесс получения же­леза был заменен более совершенным — пудлинго­ванием, а в конце 80-х годов XIX в. — выплавкой же­леза из чугуна в мартеновских и конвертерных печах.

Пятый период (послереволюционный) начинается с 20-х годов XX в., с первой пятилетки, когда государство приступило к осуществлению широкой программы инду­стриализации страны. К концу 40-х годов XX в. клепаные конструкции были почти полностью вытеснены сварными, более легкими, технологичными и экономичными. Развитие металлургии уже в 30-е годы XX в. позволило применять в металлических конструкциях вместо обычной малоуглеродистой стали более прочную низколегиро­ванную сталь.

Номенклатура и область применения метал­лических конструкций

1. Промышленные здания. Каркасы промышленных зданий бывают полностью металлическими и смешанными (металлическое покрытие по железобетонным колоннам). Промышленные здания при необходимости оборудуются мостовыми и подвесными кранами.

2. Большепролетные здания. Это, как правило, здания общественного назначения: спортивные, рынки, павильоны, ангары. Они имеют пролеты до 100 – 150 м. Для большепролетных зданий применяются балочные, рамные, арочные, висячие, комбинированные конструктивные схемы каркасов.

3. Мосты, эстакады. В конструктивном отношении мосты и эстакады имеют разнообразные системы: балочные, арочные, висячие, комбинированные.

4. Листовые конструкции. Листовые конструкции применяются в резервуарах, газгольдерах, бункерах, баках, трубопроводах большого диаметра.

5. Башни, мачты. Применяются для радио, телевидения и сотовой связи, в геодезической службе, в опорах линий электропередач, в нефтяных вышках, дымовых и вентиляционных трубах.

6. Каркасы многоэтажных зданий. Применяются в промышленных и гражданских зданиях.

7. Крановые и другие подвижные конструкции: мостовые, башенные, козловые краны, конструкции экскаваторов и др.

8. Прочие конструкции. К ним относятся каркасы радиотелескопов, трамплинов, платформ по разводке нефти, газа в море, каркасы надшахтных копров.

Основные особенности металлических конструкций и предъявляемые к ним требова­ния

Во-первых, исходным материалом для всех конструкций является прокатный ме­талл, выпускаемый по единому стандарту — сортаменту : лист, уголок, швел­лер, двутавр, груба и т.п. Из этого материала компонуются разнообразные конструк­тивные формы.

Во-вторых, все конструкции объединены одним технологическим процессом их из­готовления, в основе которого лежат холодная обработка металла (резка, гибка, обра­зование отверстий и т.п.) и соединение деталей в конструктивные элементы и комп­лексы (сборочно-сварочные операции).

Достоинства и недостатки металлических конструкций

+ Надежность: обеспечивается совпадением действительной работы конструкций в упругой стадии с расчетными предпосылками. Материал металлических конструкций однороден и изотропен.

+ Легкость: металлические конструкции легче каменных, деревянных и железобетонных. Легкость конструкций с определяется отношением плотности материала p к его расчетному сопротивлению R. с=p/R (Чем меньше с, тем относительно легче конструкция).

+ Индустриальность: металлические конструкции изготавливаются на заводах ЗМК с высокой степенью заводской готовности. Монтаж конструкций производится индустриальными методами с применением высокопроизводительной техники.

+ Непроницаемость: обеспечивается высокой плотностью металлов. Непроницаемость является необходимым условием для применения металлических конструкций в резервуарах, газгольдерах, трубопроводах и т.п.

+ Ремонтопригодность

- Коррозия: повышение коррозионной стойкости металлических конструкций достигается включением в сталь специальных легирующих элементов, покрытием конструкций защитными пленками (лаками, красками, эмалями и т.п.), выбором рациональной конструктивной формы элементов (без щелей, пазух). Коррозионная стойкость алюминиевых сплавов и чугуна значительно выше коррозионной стойкости стали.

- Небольшая огнестойкость: требуемая огнестойкость конструкции достигается их защитой огнестойкими облицовками (вспучивающимися покрытиями, матами из минеральной ваты, гипсокартонными плитами, строительным раствором, бетоном, керамикой и т.п.).

История развития металлических конструкций. Область применения металлических конструкций. Достоинства и недостатки металлических конструкций

7. Крановые и другие подвижные конструкции:мостовые, башенные, козловые краны, конструкции экскаваторов и др.

Достоинства и недостатки металлических конструкций

- высотных сооружениях (телевизионные башни, мачты, опоры воздушных линий электропередачи, вытяжные башни, нефтяные вышки, дымовые и вентиляционные трубы, промышленные этажерки, геодезические вышки, надшахтные копры и многие другие сооружения);

- каркасах гражданских многоэтажных зданий;

- крановых и других подвижных конструкциях (мостовые, башенные и козловые краны, краны-перегружатели, крупные экскаваторы, затворы и ворота гидротехнических сооружений);

- листовых конструкциях (резервуары различного назначения, газгольдеры, бункеры, силосы, трубопроводы большого диаметра, конструкции доменного и химического производств);

- конструкции уникального назначения (радиотелескопы, антенны космической связи).

Такой широкий диапазон применения металлических конструкций, воспринимающих большие нагрузки от собственного веса и оборудования, имеющие большие пролеты и высоту (для листовых конструкций необходимость обеспечения плотности), обусловлен рядом их достоинств и, в первую очередь, надежностью, высокой прочностью и легкостью (рис. 1.1).

Надежность металлических конструкций обеспечивается близким совпадением их действительной работы (распределение напряжений и деформаций) с теоретическими расчетными предпосылками об упругой и упруго-пластической работе материала, обоснованными основными положениями сопротивления материалов и теории упругости и пластичности. Сталь – изотропный материал, имеет мелкозернистую структуру с одинаковыми механическими свойствами во всех направлениях.

Легкость. Из всех изготовляемых в настоящее время несущих конструкций металлические конструкции являются относительно наиболее легкими, несмотря на высокую плотность стали (ρ = 7850 кг/м 3 ) по сравнению с бетоном (ρ = 2400 кг/м 3 ) и даже древесиной (ρ = 500 кг/м 3 ).

За показатель легкости с принимают отношение плотности материала ρ к его прочности Ry. Чем меньше значение с, тем относительно легче конструкция.

Конструкции из алюминиевых сплавов, обладающих прочностью близкой к прочности малоуглеродистой стали, а также плотностью, примерно в три раза меньшей, чем сталь (r =2700 кг/м 3 ), имеют наименьшее значение показателя с.

Рис. 1.1. Достоинства и недостатки металлических конструкций

На рис. 1.2 приведена сравнительная легкость конструкции из различных материалов (коэффициент с для алюминиевого сплава Д16Т принят за единицу).

Индустриальность. Металлические конструкции в основной своей массе изготавливаются на заводах, оснащенных современным специальным оборудованием, а механизированный монтаж на месте возведения сооружения ускоряет ввод его в эксплуатацию. Все это исключает или до минимума сокращает тяжелый ручной труд.

Непроницаемость. Металлы облают не только значительной прочностью, но и высокой плотностью – непроницаемостью для газов и жидкостей. Плотность металла и его соединений, осуществляемых с помощью сварки, является необходимым условием для изготовления листовых конструкций.

Ремонтопригодность. Применительно к стальным конструкциям наиболее просто решаются вопросы усиления, технического перевооружения и реконструкции. Хорошая приспособленность для крепления различных коммуникаций, нового технологического оборудования к элементам существующего каркаса с помощью сварки.

Сохранность металлического фонда – возможность использования металлоконструкций, отслуживших свой срок в результате физического и морального старения (возврат в отрасли хозяйства в виде металлического лома).

Рис. 1.2. Относительная легкость конструкции из различных материалов

Лучшая приспособленность металлоконструкций для тяжелых условий работы (высокая температура до +200ºС, динамические и циклические нагружения, большие нагрузки).

Меньшая подверженность механическим повреждениям в процессе перевозки, монтажа и эксплуатации.

Меньшая зависимость себестоимости от серийности, благодаря сравнительно малой стоимости вспомогательных приспособлений при изготовлении и монтаже. Возможность быстро переналаживать оснастку изготовления.

Высокие эстетические свойства, возможность создания самых различных форм.

Металлические конструкции имеют и недостатки, для нейтрализации которых необходимы специальные меры.

Коррозия – разрушение металла вследствие химического или электрохимического взаимодействия с внешней средой. Металлические конструкции обладают сравнительно слабой коррозийной стойкостью, особенно в агрессивных условиях. Сталь, не защищенная от контакта с влагой в сочетании с вредными газами, солями, пылью, окисляется и становится непригодной к эксплуатации.

Значительно выше коррозийная стойкость у алюминиевых сплавов, применяемых в строительстве, благодаря образованию на поверхности прочной оксидной пленки. Хорошо сопротивляется коррозии чугун.

Повышение коррозийной стойкости металлических конструкций достигается включением в сталь специальных легирующих элементов (относительно дорогой способ), периодическим нанесением на поверхность изделий защитных лакокрасочных покрытий (принятый у нас основной способ), а также выбором при проектировании рациональной конструктивной формы элементов, удобной для очистки и защиты (без щелей и пазух, где могут скапливаться влага и пыль).

Небольшая огнестойкость. Металлические конструкции имеют сравнительно низкий предел огнестойкости, оцениваемый временем, в течение которого конструкция сохраняет свою несущую способность.

У стали при температуре t = 200ºC начинает уменьшаться модуль упругости Е, а при t = 600ºC (алюминиевые сплавы при t = 300ºC) она полностью переходит в пластическое состояние, деформируется и теряет свою несущую способность. Поэтому металлические конструкции зданий, опасные в пожарном отношении (склады с горючими и легковоспламеняющимися материалами, жилые и общественные здания и т.п.) должны быть защищены путем устранения непосредственного контакта конструкций с открытым огнем или сильно нагретыми частями оборудования (устройство подвесных потолков, огнестойких облицовок, обмазка специальными составами, в отдельных случаях – устройство огнезащитных экранов).

Области применения металлических конструкций

По объёму применения металлические несущие строительные конструкции занимают второе место после железобетонных. Основные области применения металлических конструкций:

- Большепролетные покрытия зданий;

- Каркасы многоэтажных зданий;

- Крановые и другие подвижные конструкции и др.

Основные понятия

Металлами называют простые вещества, отличающиеся характерными металлическими свойствами – высокая теплопроводность и электропроводность, металлический блеск, ковкость, пластичность и др.

Основные металлы, применяемые в строительстве:

- Железо → сталь, чугун → конструкции из стали и чугуна;

- Алюминий → алюминиевые конструкции;

- Медь → кровли, трубы, облицовочные панели;

- Цинк → защитные покрытия, облицовочные панели.

В чистом виде металлы применяются редко ввиду низкой прочности, твердости и высокой пластичности. В основном они используются в виде сплавов с другими металлами и неметаллами. Это обусловлено их более высокой прочностью, наличием специфических свойств или их сочетаний, не встречающихся у чистых металлов. Кроме того, свойства сплавов можно изменять при помощи пластической деформации, термической или термомеханической обработки значительно сильнее, чем свойства чистых металлов.

Сплав – вещество, состоящее из двух или более компонентов, один из которых обязательно должен быть металл.

Фаза – однородная часть системы, отделенная от других частей системы поверхностью раздела, при переходе через которую структура и свойства резко меняются.

Система – совокупность фаз в сплаве, находящихся в состоянии стабильного равновесия.

Черные металлы – железо и его сплавы. Сырьем служат руды железа, представленные минералами класса оксидов – магнетитом ( , хромитом (

Цветные металлы – Be, Mg, Al, Ti, Cr, Mn, Ni, Cu, Zn и т.д. Сырьем служат руды цветных металлов.

Сталь – сплав железа с углеродом с содержанием С≤2,14%.

Чугун – сплав железа с углеродом с содержанием 2,14%

Все металлы, затвердевающие в нормальных условиях, представляют собой кристаллические вещества, т.е. укладка атомов в них характеризуется определённым порядком – периодичностью как по различным направлениям, так и по различным плоскостям. Этот порядок определяется понятием кристаллическая решетка. Всего для кристаллических тел существует 14 видов решеток.


Рис. 4.31. Основные типы кристаллических решеток:

а – гексагональная плотноупакованная (ГПУ); б – гранецентрированная кубическая (ГЦК); в – объемно-центрированная кубическая (ОЦК)

Способность некоторых металлов существовать в различных кристаллических формах в зависимости от внешних условий называется аллотропией или полиморфизмом. Используя явление полиморфизма, можно упрочнять и разупрочнять сплавы при помощи термической обработки.

Твёрдые растворы – это кристаллические фазы переменного состава, которые образованы на основе кристаллической решетки компонента растворителя.

При этом атомы растворенного вещества занимают определенные места в решетке растворителя. Если содержание растворенного вещества невелико, то твердый раствор по свойствам мало отличается от металла-растворителя. Атомное строение твердого раствора такое же, как металла-растворителя. Различие заключается в изменении периода кристаллической решетки. После завершения кристаллизации твердые растворы состоят из однородных зерен.

Твердые растворы замещения – образуются путем замены атомов растворителя в его кристаллической решетке атомами растворенного компонента (рис. 4.32 а). Образуются только в системе металл-металл. Почти все металлы в жидком состоянии растворяются друг в друге в любых соотношениях.

Твердые растворы внедрения образуются путем размещения атомов растворенного компонента в свободных межатомных пространствах кристаллической решетки растворителя (рис. 4.32 б). Твердые растворы внедрения образуются в системе металл-неметалл, т.к. атомные радиусы неметаллов намного меньше атомных радиусов металлов. Твердые растворы внедрения всегда имеют ограниченную растворимость.

В твердых растворах вычитания избыточные (относительно среднего состава соединения) атомы одного из компонентов занимают нормальные места в кристаллической решетке, тогда как места, которые должны были бы быть заняты другим компонентом, оказываются частично свободными (рис. 4.32 в).

Общие сведения о металлических конструкциях. Достоинства и недостатки. Области применения

Металлические конструкции, металлоконструкции, общее название конструкций, выполненных из металлов и применяемых в строительстве. Современные М. к. подразделяются на стальные и из лёгких сплавов (например, алюминиевых сплавов). До начала 20 в. в строительстве применялись в основном металлические строительные конструкции из чугуна (главным образом в колоннах, балках, лестницах и т.д.В современном строительстве получили распространение стальные конструкции, используемые в несущих каркасах промышленных сооружений, жилых и общественных зданий, в пролётных строениях мостов, каркасах доменных печей, газгольдерах, резервуарах, мачтах, опорах линий электропередачи и др. Конструкции из алюминиевых сплавов,. обладающие рядом достоинств (лёгкость, коррозионная стойкость, технологичность, высокие декоративные свойства), наиболее широко применяются в качестве ограждающих элементов и в виде отделочных деталей зданий. М. к. изготовляются преимущественно из профилированного и листового металла. По характеру соединения элементов между собой различают М. к. сварные, клёпаные и с болтовыми соединениями. В машиностроении обычно под М. к. подразумеваются детали, изготовленные из профилированного металла, в отличие от литых деталей и поковок.

Достоинства:

- Надежность – близкое соответствие характеристик стали нашим представлениям об идеальном упругом и упругопластическом изотропном материале, при некотором значении напряжений может быть реализована идеальная пластичность в виде площадки текучести;

- лёгкость (Р=7,85 тс/м^3);

- непроницаемость для газов и жидкостей – высокая плотность (плотность стали и ее соединений, осуществляемых с помощью сварки, является необходимым условием для изготовления резервуаров, газгольдеров, трубопроводов, различных сосудов и аппаратов);

- индустриальность (заводское изготовление 90-95%, оснащенных специальным оборудованием, а монтаж производят с использованием высокопроизводительной техники) – исключает или до минимума сокращает тяжелый ручной труд;

- ремонтопригодность (простота технического перевооружения, ремонта и реконструкции) – просто решаются вопросы усиления, технического перевооружения и реконструкции;

- сохранность металлического фонда – в результате физического и морального износа изымаются из эксплуатации, переплавляются и снова используются в народном хозяйстве;

Недостатки:

Подверженность коррозии, малая огнестойкость (сталь начинает терять свою устойчивость при 200 о С, полностью теряет и начинает течь при 625 о С), дефицитность, и высокая стоимость.

Область применения

Использование металлических конструкций по назначению и виду конструктивной формы разделяются на восемь пунктов.

1. Листовые конструкции в виде бункеров, трубопроводов большого диаметра, резервуаров, различных сооружений доменного комплекса и газгольдеров, нефтепереработки и химического производства

2. Мосты, эстакады.. Мосты, как и большепролетные покрытия, имеют различные системы: арочную , висячую , балочную , комбинированную.

3. Промышленные здания. Конструкции одноэтажных промышленных зданий выполняются в виде смешанных каркасов или цельнометаллических

4. Большепролетные покрытия зданий. Здания общественного назначения [спортивные сооружения, рынки, выставочные павильоны], театры и здания производственного характера (авиасборочные цехи, лаборатории, ангары) имеют большие пролеты (до 100-150 м)

5. Крановые и другие подвижные конструкции. Сюда относятся всевозможные металлические конструкции башенных, мостовых , козловых кранов и кранов-перегружателей, конструкций крупных экскаваторов и разнообразных строительных машин, затворы и ворота гидротехнических сооружений, конструкции отвальных мостов.

6. Каркасы многоэтажных зданий

7. Башни и мачты применяются для радиосвязи и телевидения, в геодезической службе, в опорах линий электропередачи. Сюда же можно отнести дымовые и вентиляционные трубы, нефтяные вышки, промышленные этажерки и надшахтные копры.

8. Прочие конструкции, которым в первую очередь можно отнести конструкции промышленности по применению атомной энергии во благо человечества, разнообразные конструкции радиотелескопов, лыжные трамплины и многие другие.

Материалы для металлических конструкций. Основные свойства сталей.

Сталь – сплав железа с углеродом, содержащий легирующие добавки, улучшающие качество металла, и вредные примеси, которые попадают в металл из руды или образуются в процессе выплавки. Углерод увеличивает прочность сплава, но понижает свариваемость. В строительных сталях содержание углерода не более 0,22%.

Достоинства – сочетание прочности и пластичности, хорошая свариваемость, однородность механических свойств. Недостатки – относительно низкая коррозионная стойкость и необходимость специальной защиты стальных конструкций от коррозии, снижение пластических свойств при низких температурах, малая огнестойкость.

Служебные свойства стали.

Надёжность и долговечность во многом зависит от свойств материала. Наиболее важными для работы конструкций являются свойства: прочность, упругость, пластичность, хладостойкость, склонность к хрупкому разрушению, ползучесть, твердость, а также свариваемость, коррозионная стойкость, склонность к старению и технологичность.

Прочность – сопротивление материала внешним силовым воздействиям без разрушения. Упругость - свойство материала восстанавливать свою первоначальную форму после снятия внешних нагрузок. Пластичность - свойство материала сохранять несущую способность в процессе деформирования (остаточные деформации без разрушения). Хрупкость - склонность к разрушению при малых деформациях. Ползучесть - свойство материала непрерывно деформироваться во времени без увеличения нагрузки. Твёрдость - свойство поверхностного слоя металла сопротивляться деформации или разрушению при внедрении в него более твёрдого материала.

Основные прочностные характеристики – временное сопротивление Ϭu (предельная разрушающая нагрузка, отнесенная к первоначальной площади поперечного сечения образца) и предел текучести Ϭy (напряжение, которое соответствует остаточному относительному удлинению после разгрузки, равному 0,2%. Для сталей, не имеющих площадки текучести, вводят понятие условного предела текучести). Вообще в лекциях сказано, что площадка текучести имеются только у малоуглеродистых сталей.

Упругие свойства материала характеризуют модулем упругостиE=tgα=2,06*10 4 кН/см 2 (α – угол наклона начального участка диаграммы работы стали к оси абсцисс) и пределом упругости Ϭс, т.е. таким максимальным напряжением, после снятия которого остаточные деформации отсутствуют.

Технологические свойства стали: свариваемость, коррозионная стойкость, склонность к старении, технологичность

Читайте также: