Достоинства и недостатки металлических конструкций

Обновлено: 05.10.2024

К основным достоинствам металлических конструкций относятся:

- надежность – обеспечивается за счет однородности структуры металла и его упругих свойств, а также близким совпадением его 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.

- легкость – за показатель легкости принимается отношение плотности материала к его прочности. Наименьшее значение этого показателя относится к алюминиевым сплавам и составляет примерно 1.1*10 -4 (м -1 ). Для разных видов сталей значение этого показателя больше в 1,5-3,4 раза больше. Для деревянных конструкций почти в 5 раз больше. Для бетонных - почти в 17;

- индустриальность – конструкции изготавливаются на заводах, оснащенных современным оборудованием и монтируются при помощи высокопроизводительной техники, все это до минимума сокращает ручной труд;

- непроницаемость – металлоконструкции обладают высокой 6епроницаемостью для жидкостей и газов из-за большой плотности материала;

- 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).

5К основным недостаткам относятся:

- коррозия – сталь, незащищенная от действия влажной атмосферы (часто загрязненной агрессивными газами) окисляется. Окисление стали, в последствии приводит к ее полному разрушению. Лучшей стойкостью к коррозии обладают алюминиевые сплавы. Для того чтобы увеличить антикоррозионные свойства сталей в них добавляю легирующие добавки, покрывают конструкции защитными пленками;

- малая огнестойкость – при t=200 0 С у стали уменьшается модуль упругости. При t=600 0 С сталь переходит в пластическое состояние (теряется несущая саособность). Алюминиевые сплавы переходят в пластическое состояние уже при t=300 0 С. При эксплуатации металлических конструкций в пожароопасных зданиях необходимо облицовывать их огнестойкими материалами.

Основные требования, предъявляемые к металлическим

Конструкциям

Главное требование, не только к металлическим конструкциям, – это соответствие эксплуатационному назначению, т.е. обслуживанию того технологического процесса, который должен протекать в проектируемом здании или сооружении. При этом должны быть обеспечены удобство и безопасность с наименьшими затратами для поддержания конструкций в надежном состоянии. Это требование в основном определяет систему, конструктивную форму сооружения и выбор материала для него, Выполнению этого требования подчинены все задачи проектирования.

Технические требования сводятся к обеспечению прочности, устойчивости, жесткости. Эти требования определяются СНиП на проектирование металлоконструкций. Сюда же относится и требование надежности, которое заключается в том, что конструкция должна безотказно работать в течение заданного расчетного периода эксплуатации, и долговечности конструкции, определяемой сроками ее физического и морального износа.

© 2014-2022 — Студопедия.Нет — Информационный студенческий ресурс. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав (0.006)

Достоинства и недостатки металлических конструкций

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. Металлические конструкции по сравнению с конструкциями из камня, железобетона и дерева наиболее легкие. Они почти в 4 раза легче железобетонных и часто легче деревянных (при использовании на одинаковые нагрузки), а раз металлические конструкции наиболее легкие при значительной плотности металла, то они и более транспортабельные и легко монтируемые;
сплошность материала и соединений, позволяющая осуществлять водо- и газонепроницаемые конструкции; индустриальность, достигаемая изготовлением конструкций на специализированных заводах.

Металлические конструкции удобны в эксплуатации, так как легко могут быть усилены при увеличении нагрузок. Они наиболее полно используются при реконструкциях и легко ремонтируются.

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.

Все конструкции, как правило, должны быть доступны для наблюдения, очистки, окраски, а также не должны задерживать влагу. Замкнутые профили должны быть герметизированы.

В технической документации на сварные конструкции должны указываться: класс и марка стали; способ сварки; рекомендуемые к использованию сварочные материалы.

Для оценки достоинств и недостатков строительных металлических конструкций необходимо учитывать и их экономическую эффективность в зависимости от условий монтажа и эксплуатации возводимых зданий и сооружений.

Стоимость конструкций складывается из стоимости металла для изготовления конструкций (60—70 %), стоимости изготовления металлоконструкций на заводе (15—20 %) и стоимости монтажа (10—15 %). В стоимость металлических конструкций входят также транспортные расходы (3—7 %) и стоимость проектирования (3—5 %). Цена применяемого для конструкций металла пропорциональна его массе. Стоимость изготовления и монтажа конструкций также пропорциональна их массе, поэтому оптимальная, наиболее экономичная конструкция — это конструкция, масса которой минимальна. Следовательно, самое эффективное средство снижения стоимости металлоконструкций — это уменьшение расхода металла. Значительного снижения массы металлических конструкций достигают за счет использования сталей повышенной прочности, трубчатых профилей для несущих элементов и профилированного листа для ограждающих конструкций.

Основным мероприятием по уменьшению стоимости изготовления металлических конструкций является снижение трудоемкости их изготовления. Наивысшая производительность труда достигается на специализированных предприятиях, оснащенных специальным оборудованием.

Стоимость монтажа сокращается с ростом его скорости, а скорость увеличивается при сокращении числа элементов, из которых собирается сооружение, и при упрощении соединений.

Основным технико-экономическим показателем для металлических конструкций является приведенная стоимость, учитывающая не только себестоимость, но и эксплуатационные расходы и капитальные вложения и сроки возведения сооружения. По приведенной стоимости сравниваются конструкции из различных материалов с неодинаковой степенью капитальности, резко различные по эксплуатационным расходам и по продолжительности возведения.

Легкие металлические конструкции наиболее полно отвечают требованиям основных технико-экономических показателей металлических конструкций. Отличительной особенностью этих конструкций по сравнению с обычными является уменьшение расхода металла на каждый квадратный метр закрытой площади на 25— 30 %. Используются они в зданиях с легкими ограждающими конструкциями, а снижение массы кровли и стен достигается применением легких утеплителей. Легкие металлические конструкции (ЛМК) изготовляют на специализированных заводах из тонкостенных стальных или алюминиевых холодногнутых профилей различной формы, круглых и прямоугольных труб, прокатных профилей. Для их изготовления применяют, как правило, высокопрочные стали.

ЛМК состоят из несущих, ограждающих и других элементов здания (связи, фахверки, переплеты, двери, ворота и т. п.). Они обычно поставляются комплектно и предназначены для монтажа крупными блоками, т. е, самым высокопроизводительным способом.

Конструкции комплектной поставки изготовляются 2ля зданий с пролетами 18—24 м, обслуживаемых подвесным крановым оборудованием грузоподъемностью до 5 т или опорными кранами грузоподъемностью до 20 т.

В качестве ограждающих конструкций применяют трехслойные стеновые и кровельные панели с эффективными теплоизоляционными наполнителями.

Экономическая эффективность ЛМК обусловлена снижением металлоемкости, поточно-автоматизированной технологией изготовления, высокой скоростью монтажа. Наиболее эффективно их применение в труднодоступных районах, не имеющих развитой базы строительной индустрии.

Наиболее эффективными из ЛМК являются покрытия со стропильными фермами из круглых и прямоугольных труб, рамные конструкции со сквозным ригелем и тонкостенными прогонами.

В СССР выпускаются ЛМК из круглых и прямоугольных труб, с тонкостенными прогонами, с колоннами постоянного и переменного сечения.

Металлоконструкции плюсы и минусы использования в строительстве

При возведении зданий и сооружений все чаще используются металлоконструкции. Разберем плюсы и минусы.

При возведении зданий и сооружений все чаще используются металлоконструкции. Подобная технология строительства, благодаря многочисленным плюсам, стала активно использоваться после ВОВ, благодаря возможности быстрого восстановления разрушенных зданий. Сейчас металлические конструкции активно задействованы в различных сферах, включая технологическое строительство и быстровозводимые постройки.

Преимущества

Основные плюсы выбора включают в себя:

Функциональность, позволяющая возводить здания и сооружения в разных областях, начиная с индивидуального строительства (жилые дома, гаражи, подсобные сооружения и т.п.) и заканчивая промышленными объектами.
Создание прочного и безопасного каркаса, способного выдерживать повышенные нагрузки, устойчивого к механическим повреждениям.
Быстрый и простой монтаж/демонтаж, проводимый в несколько основных этапов, не требующий применения специализированной техники и длительной подготовки.
Активное использование типовых элементов, облегчающее их замену в случае повреждения.
Повышенные показатели прочности материала, при сравнении с цементом или деревом.
Газо- и водонепроницаемость (на местах стыках отдельных элементов достигается за счет применения сварки).
Вторичная переработка демонтированных металлоконструкций позволяет экономично расходовать металл и повторно использовать материал (путем переплавки).
Снижение затрат на строительство благодаря сокращению сроков возведения зданий и сооружений.
Простой ремонт или усиление, не требующий демонтажных работ и проводимый на месте.
Малый вес на фоне повышенного уровня прочности позволяет сэкономить средства и время, затрачиваемые на установку фундамента.
Возможность установки в любое время года, не отталкиваясь от условий окружающей среды (осадки, низкая температура и т.д.).

Изготовление металлоконструкций происходит в промышленных условиях с применением качественных материалов и современных технологий, в соответствии с установленными нормативами.

Недостатки

Металлоконструкции обладают внушительным списком достоинств, но имеют и несколько недостатков, которые достаточно просто устраняются.

Изделия не устойчивы к воздействию высоких температур. Металлические конструкции, изготовленные из стали приобретают пластичную форму при нагреве свыше 600 0 С, из алюминия уже при 300 0 С, а значит, теряют несущую способность, что может привести к обрушению здания. Этот недостаток устраняется путем облицовки огнестойкими материалами или покрытием составных элементов специализированными составами.
Подвержены разрушению в результате коррозии. Длительное воздействие влаги, атмосферных осадков, химически агрессивных сред (включая газы) способно привести к развитию коррозионных процессов. Чтобы это предотвратить, все элементы металлических конструкций покрывают специальными веществами, предотвращающими прямое воздействие на сталь.

Редакция Металлургпром

Финансовая аналитика, прогнозы цен на сталь, железную руду, уголь и другие сырьевые товары. Больше новостей и аналитики на телеграмм-канале Металлургпром - подпишитесь чтобы быстрее других получать актуальную информацию по рынку и прогнозы цен.

- 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 R_y. 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).

Металлические конструкции применяются в инженерных сооружениях в виде стержневых или сплошных систем: в одноэтажных и многоэтажных производственных зданиях; большепролетных покрытиях различных систем зданий и сооружений (спортивные сооружения, крытые рынки, театры, выставочные павильоны, ангары, судостроительные эллинги, авиасборочные цехи и др.); мостах и эстакадах; 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).

Рис. 1.1.Достоинства и недостатки металлических конструкций

Рис. 1.2. Относительная легкость конструкции

из различных материалов

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

Читайте также: