Общие сведения о металлических конструкциях

Обновлено: 18.05.2024

Металлические конструкции применяются во всех областях строительства при возведении зданий и сооружений благодаря своим универсальным качествам - высокой прочности (несущей способности); надежности работы при различных видах напряженного состояния, в тяжелых и агрессивных условиях эксплуатации; эффективностью изготовления и монтажа; относительно малый собственный вес при восприятии значительных нагрузок. Кроме того, металлы обладают высокой плотностью - непроницаемостью для газа и жидкости.

К недостаткам стальных конструкций можно отнести сравнительно малую огнестойкость и подверженность коррозии от контакта с влагой, агрессивными средами. При высоких температурах (для стали более 600 0 С) конструкции теряют свою несущую способность.

В зависимости от вида конструкции различают стержневые и сплошные системы стальных конструкций. Стержневые системы состоят из балок, колонн, ферм (каркасы зданий; мосты; арки и фермы, купола, стойки ЛЭП, мачты, башни, эстакады, краны и др. конструкции). Сплошные системы состоят из различных видов листовых конструкций (резервуары, газгольдеры, трубы, бункеры, конструкции металлургических заводов, нефтяных и химических предприятий и т.п.).

Материалы для металлических конструкций

Материалом для металлических конструкций служит, в основном, сталь. В зависимости от степени ответственности конструкций зданий и сооружений, а также от условий их эксплуатации применяют стали различных марок. При выборе марки стали учитывают климатический район строительства и группу конструкций зданий и сооружений по СНиП II.23-81*. Характеристики некоторых видов сталей приведены ниже.

По способу изготовления сталь бывает мартеновской и кислородно-конверторной (их изготовляют кипящими, спокойными и полуспокойными). Кипящую сталь сразу разливают из ковша в изложницы. Она содержит значительное количество растворенных газов. Спокойная сталь - это сталь, выдержанная некоторое время в ковшах вместе с раскислителями (кремний, алюминий), которые, соединяясь с растворенным кислородом, уменьшают его вредное влияние; она имеет лучший состав и более однородную структуру, но дороже кипящей на 10. 15%. Полуспокойная сталь занимает промежуточное положение между спокойной и кипящей.

Для строительных конструкций применяются следующие марки сталей.

Сталь малоуглеродистая обыкновенного качества марки Ст3. Металлургические заводы поставляют малоуглеродистые стали с гарантией: механических свойств (группа А), химического состава (группа Б), механических свойств и химического состава (группа В). Степень раскисления обозначается индексами “кп” - кипящая, “пс” - полуспокойная и “сп” - спокойная, например ВСт3пс. В зависимости от нормируемых показателей (химического состава, механических свойств и ударной вязкости) сталь делят на категории, например ВСт3сп5, а для каждой из категорий установлены, кроме того, группы прочности 1 и 2, например ВСт3сп5-1 и ВСт3сп5-2.

Сталь низколегированная марок 09Г2, 09Г2С, 10Г2С1, 1412, 15ХСНД и др. низколегированные стали всегда поставляют по группе В, поэтому обозначение начинается сразу с цифр; первые две цифры указывают на содержание углерода в сотых долях процента; буквами обозначают легирующие элементы (Г - марганец, С - кремний, Х - хром, Н - никель, Д - медь, А - азот, Ф - ванадий); цифра после буквы указывает содержание этого легирующего элемента в процентах, если оно превышает 1%. Например, 15ХСНД - сталь, содержащая 0,15% углерода и легирующие добавки хрома, кремния, никеля, меди, причем содержание каждой добавки не превышает 1%.

Основные физические свойства стали: плотность ρ= 7850 кг/м 3 , модуль продольной упругости Е = 206 ГПа (1 ГПа = 100 МПа), модуль сдвига G = 78 ГПа, коэффициент линейного расширения α = 0,000012 град -1 .

До напряжений, близких к пределу текучести, зависимость между напряжениями и деформациями определяется законом Гука:

В СНиП II-23-81* даны механические характеристики и указания по применению различных марок сталей для стальных конструкций зданий и сооружений в зависимости от вида конструкций, условий их эксплуатации (группы I. IX) и расчетной отрицательной температуры.

Сортамент листовой и профильной стали. Стальные конструкции изготовляют из элементов, получаемых прокаткой (листы и фасонная, профильная сталь). В строительстве применяют следующие виды проката:основные типы прокатных профилей

* толстолистовой - толщиной 4. 160 мм, для изготовления листовых конструкций (резервуаров, газгольдеров и др.), стенок балок, фасонок ферм и др. (ГОСТ 19903-74);

* тонколистовой - толщиной 0,5. 4 мм, для изготовления гнутых профилей, устройства покрытий и т.п. (ГОСТ 19904-74 с изм.);

* сталь полосовая - толщиной 4. 60 мм при ширине до 200 мм, для изготовления ребер жесткости диафрагм (ГОСТ 103-76);

* широкополосный - для изготовления сварных балок и колонн (ГОСТ 8200-70);

* уголковые профили - равнополочные и неравнополочные, применяются для изготовления ферм и других решетчатых конструкций (ГОСТ 8509-93; 8510-86);

* швеллеры и двутавры применяются для изготовления балок и колонн (ГОСТ 8240-93; 8239-89);

* гнутые профили, получаемые холодным способом из листов толщиной 3. 10 мм, предназначенные для изготовления легких конструкций различной формы, эффективность гнутых профилей по сравнению с прокатными - их большая жесткость и легкость (ГОСТ 8282-83*, 25577-83*, ТУ36-2287-80 с изм.);

* электросварные трубы применяются для изготовления ферм (ГОСТ 10704-91).

Основными физико-механическими свойствами стали являются прочность, упругость, пластичность, которые определяются испытаниями на растяжение специально изготовленных образов. По результатам испытаний строят диаграмму испытуемого образца в координатах нагрузка (напряжения) - относительные деформации. (Рис 1.1).

Для условий растяжения эта зависимость записывается

δ = N/А ε = ( )100%, (1.1)

где N - нагрузка, А - первоначальная площадь поперечного сечения, l₀ - первоначальная длина базовой (рабочей) части образца, Δl - абсолютное удлинение.

В соответствии с рис. 1.1 основными прочностными характеристиками стали являются временное сопротивление δ_u и предел текучести δ_т=R_у. (рис 2.2 а)

Временное сопротивление - это предельная нагрузка, при которой происходит разрушение, отнесенная к первоначальной площадке поперечного сечения испытуемого образца.

Предел текучести W_т - наименьшее напряжение, при котором деформация происходит без заметного увеличения нагрузки, а остаточная деформация достигает 0,2% (остаточное относительное удлинение после разгрузки). В низкоуглеродистых сталях процесс нарастания деформаций идет по существу без изменения внешней нагрузки - металл “течет”. Для сталей повышенной прочности, не имеющих ярко выраженной площадки текучести, вводят понятие условного предела текучести W_0,2.

Деформативные свойства стали измеряются на образцах различной базы. Показателем пластических свойств стали является относительное остаточное удлинение при растяжении δ₅ (%) стандартных плоских образцов с рабочей длиной l = 5,65 , и условная ударная вязкость.

Упругие свойства стали характеризуются начальным модулем упругости Е = tgα (где α- угол наклона прямолинейного участка диаграммы к оси абсцисс), пределом упругости δ_с и пределом пропорциональности δ_р.

W_р - предел пропорциональности, т.е. напряжение, до которого материал работает по закону Гука, имея линейную диаграмму растяжения W=Е·ε (1.2)

W_с - предел упругости, выражен напряжением (или нагрузкой), после снятия которого нет остаточных деформаций.

Значения физико-механических характеристик сталей даны в ГОСТ и ТУ.

Новая классификация строительных сталей приведена в приложении 18 в соответствии с СНиП II – 23 - 81 * .

Контрольные вопросы к главе 1

1. Что изучает наука о МК?

2. Как связаны МК с другими строительными конструкциями?

3. Какие основные требования предъявляются к МК?

4. Достоинства и недостатки МК.

5. Область применения МК.

6. Общие принципы проектирования МК.

7. Какими нормативными документами надлежит пользоваться при разработке МК?

8. Разновидности строительных сталей.

9. Какие виды разрушения присущи сталям и от чего это зависит?

10. Механические и прочностные свойства сталей.

11. Что такое сортамент металлических профилей и что он содержит?

Резюме к главе 1

В главе 1 приведены общие сведения о металлических конструкциях, их достоинства и недостатки, область применения. Даны характеристики некоторых видов сталей.

Приведены ГОСТы сортамента листовой и профильной сталей, основные физико-механические свойства сталей.

Материалы для металлических конструкций

Общие сведения о металлических конструкциях. Материалы для металлических конструкций. Общие положения расчета. Расчет элементов и соединений металлических конструкций

В современной практике строительства металлические конструкции — стальные и алюминиевые — находят широкое применение. Это объясняется тем, что металл обладает высокой несущей способностью, обеспечивающей восприятие значительных нагрузок при сравнительно небольшой собственной массе, надежностью работы при различных видах напряженного состояния и агрессивных эксплуатационных средах, значительной универсальностью с точки зрения создания различных конструктивных форм плоских и пространственных систем, высокой индустриальностью изготовления изделий.

В области строительства под термином металлические конструкции подразумевают несущие конструкции, из которых создают каркасы зданий и различных инженерных сооружений. Сечения элементов несущих конструкций определяются в результате расчетов.

Кроме несущих, имеются ограждающие конструкции, которые выполняют одновременно функции несущих и ограждающих.

Наука о металлических конструкциях - это прежде всего теория о конструктивной форме металлических конструкций. Под конструктивной формой понимается взаимосвязь схемы конструкции с выбранными размерами, типами сечений, решениями сопряжений и видом соединения с технологическими приемами и особенностями изготовления, монтажа и эксплуатации.

В теории о конструктивной форме изучаются закономерности построения схемы, компоновки, решения узлов, металлоемкости, трудоемкости.

Появление легких или облегченных металлических конструкций сыграло важную роль в расширении применения металлических конструкций. Внедрение их в строительство позволило облегчить конструкции в 1,5-2 раза по сравнению с традиционными.

3.2.Требования предъявляемые к металлическим конструкциям.

Все требования можно разделить на несколько групп: по назначению; технические; технологические; эксплуатационные, экономические и эстетические.

Конструкция должна отвечать своему назначению - обслуживать тот технологический процесс, который должен протекать в проектируемом здании или сооружении. Например, если это цирк, то нужно учитывать, что подвешивается определенное оборудование, нужно иметь определенную высоту и т. д., и так для каждого объекта.

Технические требования должны обеспечить прочность, устойчивость, жесткость конструкции; кроме того, сюда же относится требование надежности, то есть конструкция должна безотказно работать в течение расчетного периода эксплуатации. Этот период должен обеспечиваться прочностью, устойчивостью и жесткостью конструкции, с учетом накапливаемых дефектов - прогибов, коррозии и т. п.

Металлические конструкции должны быть технологичны, то есть металлотрудоемки при изготовлении, перевозке и монтаже. Необходимо думать и об удобстве производства работ, особенно на монтаже. На стадии проектирования необходимо думать, как в свое время конструкцию можно будет реконструировать, а в некоторых случаях усиливать. Необходимо понимать, что физическая долговечность конструкции в 3 . 7 раз длиннее моральной долговечности.

Экономические требования включают: экономию металла, затрат труда, энергии.

Наконец, нельзя забывать и об эстетике конструкции, ее красоте и гармоничности. Рационально запроектированные конструкции радуют глаз своей легкостью и красотой.

3.1. Достоинства и недостатки металлических конструкций.

К достоинствам металлических конструкций следует отнести:

· прочность, одинаковую при растяжении, сжатии и изгибе;

· высокую надежность, благодаря сравнительно одинаковой структуре металла;

· относительную легкость (конструкции из метала примерно в 4 раза легче железобетонных и каменных конструкций);

· высокая индустриальностъ изготовления на заводах;

· непроницаемость, очень важно при хранении жидкостей и газов;

· лучшая приспособляемость для тяжелых условий работы (высокая температура, динамические и циклические нагружения, большая нагрузка);

К недостаткам металлических конструкций можно отнести:

· сравнительно слабая коррозийная стойкость стали, особенно в агрессивных средах;

· малая огнестойкость, так у сталей при температуре + 600ºС, предел текучести () равен нулю, то есть конструкции теряют прочность и деформируются.

Сопоставление между собой различны конструкционные материалы даны в табл. 3.1 приведены две относительные характеристики: предельная легкость (ρ/R) в 1/м и удельная жесткость (Е/R), по которым можно судить в преимуществе металлических конструкций.

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 Ϭ_u (предельная разрушающая нагрузка, отнесенная к первоначальной площади поперечного сечения образца) и предел текучести Ϭ_y (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 Ϭ_с, т.е. таким максимальным напряжением, после снятия которого остаточные деформации отсутствуют.

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

Читайте также: