Металеві конструкції

Реферат виконав Сабірзянов І.І. гр. 08-202

Казанська Державна Архітектурно-Будівельна Академія

2003 г.

Загальні відомості.

З розвитком металургійної промисловості зростає обсяг і номенклатура металевих виробів у будівництві і особливо асортимент з алюмінію. З сталевого прокату зводять каркаси промислових і цивільних будинків, мости, виготовляють арматуру для залізобетону, покрівельну сталь, труби, а також різні металеві вироби, заклепки, болти, цвяхи, шурупи. Різний профіль алюмінію використовують для виготовлення несучих та огороджуючих конструкцій, ф Широкому використанню металів у будівництві сприяє ряд їх цінних технічних властивостей: висока міцність, пластичність, підвищена теплопровідність, електропровідність і зварюваність. Поряд з цим метали, і особливо сталь і чавун, при дії різних газів і вологи сильно корродирует і вимагають спеціального захисту.

Питання економії металу в галузі збірного залізобетону поряд з проблемою зниження трудомісткості виготовлення виробів арматури мають велике значення.

До перевитрати металу у будівництві ведуть наступні причини: заміна арматури проектних діаметрів та класів, а також профілів прокату, які є в наявності; технологічні втрати, зумовлені особливостями виробництва (відходи решт напружуємося стрижнів, що використовуються для встановлення захоплень, відходів пасом на довгому стенді, на ділянках між формами і т. д.); відходи при заготівлі арматури та виробів з неї і розкрої прокату; прокат арматури з позитивними допусками: шлюб; руйнування конструкцій при контрольних випробуваннях.

Причинами перевитрати сталі є нераціональний розкрій металопрокату за кресленнями, заміна проектних профілів і листів на наявні в наявності великих перетинів і товщин, застосування сталі підвищеної та високої міцності без відповідного перерахунку конструкцій, недоліки в організації постачання металопрокату металургійними заводами.

Сформований питома вага в будівельній індустрії при виробництві залізобетону і будівельних конструкцій складає (%): завищення номінального діаметра арматурної сталі - 62,4; плюсові допуски прокату-12,0; немірних довжини зварюваних марок сталі -- 25,6.

Значна частка металевих виробів, що використовуються в будівництві, припадає на сталеву арматуру.

Втрати металу при виробництві арматурних робіт обумовлені перш за все рівнем технологічного устаткування і оснащення, особливостями технології.

Основні причини втрат арматурної сталі (питома вага в загальній витраті,%): відходи напружуємося арматури - 7,5; відходи при р.аскрое стрижнів в різанні бухт - 2,6; відступи від проекту-1,0; випуск бракованої продукції - 0,5.

Розробка і впровадження ліній для безвідходної зварювання й різання арматурних стержнів всіх класів,

Для запобігання від корозії до застосування арматура повинна бути захищена від атмосферних опадів та інших джерел зволоження. Високоміцну арматуру слід зберігати в сухих закритих складських приміщеннях з відносною вологістю повітря не вище 60%. Не допускається зберігання такої арматури на долівці, агресивних або забруднених агресивними речовинами підкладках, а також поблизу місцезнаходження або виділення агресивних речовин (солі, гази, аерозолі). Допускається зберігання без обмеження відносної вологості повітря високоміцної арматури в атмосфері, насиченій парами летких інгібіторів, яка може бути створена під герметизовані ковпаками, в тимчасових сховищах, захищених від атмосферних опадів.

Припустимим корозійних поразкою арматури вважається таке, при якому наліт іржі може бути вилучений протиранням. сухою ганчіркою. При невиконанні вказаної умови високоміцну арматуру піддають спеціальну перевірку на схильність до тендітному корозійного руйнування.

При використанні арматури з цинковим алюмінієвим покриттям не допускається її правка за допомогою верстатів, що викликають механічне пошкодження покриття, а при контактної зварюванні режим повинен бути підібраний з умови найменшого пошкодження покриття. Дугова зварювання вказаної арматури не допускається.

Для захисту арматури, що використовується в пористих і силікатних бетони автоклавного твердіння, використовують захисні покриття (обмазки) у вигляді холодної цементно-бітумної мастики, гарячої інгібований бітумно-цементної або латексних-мінеральної та інших видів обмазок.

Товщина висушеного захисного покриття на арматурі повинна бути 0,3 ... 0,4 мм при використанні холодної цементно-бітумної мастики і не менш 0,5 мм при використанні цементно-полістирольної. При нанесенні покриттів в електричному поле товщина їх може бути зменшена відповідно до 0,2 ... 0,3 мм і 0,4 мм.

Захист арматури від корозії, тобто її тривале збереження в процесі експлуатації залізобетонні конструкції, значною мірою залежить від технології її виготовлення, за винятком тих випадків, коли використовуються спеціальні захисні покриття, що наносяться на поверхню арматури.

Загальна характеристика та основи проектування металевих конструкцій

2.1 Номенклатура сталевих конструкцій

Сталеві конструкції використовують у різних інженерних спорудах, які в залежно від конструктивної форми і призначення можна розділити на наступні види.

1. Одноповерхові виробничі будівлі. Такі будівлі можуть бути однопрогонові і багатопрольотні, в тому числі з прольотами різної висоти, з вбудованими робочими майданчиками та багатоповерховими вставками. Розміри в плані їх дуже різноманітні: від декількох десятків метрів до 1 км і більше. Виробничі будівлі зазвичай обладнують вбудованими транспортними засобами у вигляді конвеєрів, підвісних або мостових опорних кранів. У бескранових будівлях використовують підлоговий транспорт (електрокари, навантажувачі та ін.)

До недавнього часу сталевий каркас дозволялося застосовувати у виробничих будівлях при прольотах 24 м і більше, висоті більше 18 м і при вантажопідйомності кранів більше 50 т. Зараз ці обмеження зняті і сталеві конструкції знаходять широке застосування для створення ремонтних майстерень, укриттів для сільгосптехніки, навісів, складських приміщень та інших будинків при прольотах 12 ... 18 м. Отримали поширення будівлі-модулі повної заводської готовності на основі арочних конструкцій, склепінь з об'ємно-формованої тонкого листа, структурних конструкцій (просторових гратчастих систем).

Поряд з сталевими застосовують змішані каркаси, в яких по залізобетонних колон встановлюють сталеві конструкції покриття та підкранові шляху.

2. Малоповерхові будівлі. Колись такі будівлі будували з цегли, залізобетону, дерева та інших традиційних будівельних матеріалів. Зараз у подібних будівлях використовують також сталь та алюмінієві сплави, з яких роблять каркас, обшивку утеплених стін, вікна, двері, вбудовані шафи, обрешітку перегородок. Освоєно виготовлення суцільнометалевих будівель комплектного постачання "під ключ ".

3. Висотні будівлі. Багатоповерхові будинки (20 ... 30 поверхів і вище) використовують головним чином у цивільному будівництві, в умовах щільної забудови великих міст. Їх звичайно проектують з чітким поділом конструкцій на несучі і огороджувальні. Опції несучих конструкцій виконує сталевий каркас, а огороджувальних - легкі стінові панелі з ефективних теплоізоляційних матеріалів, у тому числі панелі з обшивками із сталі або алюмінієвих сплавів.

4. Великопролітні будівлі. Великі прольоти (50 ... 150 м і більше) мають спортивні споруди, криті ринки, виставкові павільйони і деякі виробничі будівлі (ангари, авіасборочние цехи та ін.) Для перекриття таких прольотів, як правило, використовують сталеві конструкції. Системи і конструктивні форми великопрольотних покриттів дуже різноманітні. Тут можливі балкові, рамні, арочні, купольні, висячі і комбіновані системи, причому як плоскі, так і просторові.

Основний навантаженням у великопрольотних будівлях є власна вага, для зниження якого раціонально застосовувати полегшені конструкції, що обгороджують, стали підвищеної та високої міцності, різні способи регулювання зусиль,. в тому числі попереднє напруга.

5. Мости, естакади. Прогонові будови мостів на залізничних і автомобільних дорогах виконують з металу при великих (до 1 км і більше), а також середніх (30 ... 60 м) прольотах. В останньому випадку сталевим мостах віддають перевагу при стислих терміни зведення і при будівництві на стратегічних дорогах, з огляду на можливість їх швидкого відновлення.

Мости і естакади мають різноманітні системи: балкові, арочні, висячі. У балкових системах часто застосовують сталежеле-зобетонние балки, об'єднуючи сталеві головні балки прогону з залізобетонною плитою проїзної частини для спільної роботи на вигин.

6. Вежі й щогли. Велику групу подібних конструкцій становлять антенні пристрої для телебачення, радіомовлення та багатоканального телефонного зв'язку. При передачі середніх хвиль щогла висотою 200 ... 500 м може виконувати функції випромінювача. У інших випадках вежі і щогли служать для розміщення на певній висоті дротяної мережі або спеціальних антенних пристроїв.

Опори повітряних ліній електропередачі служать для передачі електроенергії по проводах, прикріпленим до опор через гірлянди ізоляторів. Для захисту від блискавки над проводами розміщують грозозахисні троси. Висока напруга електричного струму, що передається по проводах, вимагає значного видалення проводів один від одного і від землі, тому висота опор становить 20 ... 40 м, а при переході лінії через перешкоди може досягати 150 м і більше.

Витяжні вежі служать для підтримки газоотводящий стовбурів димових і вентиляційних труб. Висота вежі, що визначається екологічними вимогами, звичайно становить 80 ... 150 м, хоча є вежі висотою 600 м.

Вежі морських стаціонарних платформ для видобутку нафти і газу встановлюють на континентальному шельфі морів і океанів. Прикріплена за допомогою паль до морського дна башта підтримує штучний острівець, на якому розміщені бурова вежа, майстерні, вертолітний майданчик, житлові приміщення і пр. Це, як правило, унікальні споруди, що сягають глибин 200 ... 300 м і більше при ширині підстави порядку 70 м. гратчасту конструкцію такої вежі виконують із труб діаметром 2 ... 4 м при товщині стінок 60 ... 90 мм.

До баштовим конструкціям відносять також геодезичні вишки, промислові етажерки, надшахтні копри, бурові вишки та ін

7. Листові конструкції являють собою тонкостінні пластинки і оболонки різної форми.

Резервуари служать для зберігання нафтопродуктів, води, зріджених газів, кислот, спиртів і інших рідин. Застосовують резервуари різної форми і розмірів з обсягом, що досягає 200 тис. м3. Серед них вертикальні циліндричні, горизонтальні циліндричні та сферичні резервуари, резервуари з понтоном, з плаваючою дахом і багато інших.

Газгольдери призначені для зберігання, змішування і вирівнювання складу газів. Їх включають у газову мережу між джерелами отримання газу і його споживачами в як своєрідні акумуляторів. Застосовують газгольдери постійного обсягу, в яких газ зберігають при високому тиску, і газгольдери змінного об'єму з зберіганням газу при низькому постійного тиску. Змінність обсягу забезпечують рухомими ланками або шайбою, яка, подібно до поршня в циліндрі, переміщається по стінці газгольдера. Місткість газгольдерів змінного об'єму досягає 600 тис. м3.

Бункери і силоси представляють ємності, призначені для зберігання і перевантаження сипучих матеріалів. Силоси відрізняються від бункерів порівняно великим відношенням висоти до розмірів в плані. Групи бункерів зазвичай об'єднують у бункерні естакади. Застосовують бункера з плоскими стінками і гнучкі (висячі).

До листовим конструкціям відносять також трубопроводи великого діаметру, деякі споруди нафтопереробки, доменного та хімічного виробництв.

8. Інші види конструкцій. Це сталеві конструкції мостових, баштових, козлових кранів, кранів-перевантажувачів, відвальних мостів, великих екскаваторів, будівельних і дорожніх машин, затворів і воріт шлюзів гідротехнічних споруд, радіотелескопів, антен космічного зв'язку і ін

2.2 Переваги і недоліки сталевих конструкцій

Основними достоїнствами сталевих конструкцій в порівнянні з конструкціями з інших матеріалів є надійність, легкість, непроникність, індустріального, а також простота технічного переозброєння, ремонту та реконструкції.

Надійність сталевих конструкцій забезпечується близьким відповідністю характеристик стали нашим уявленням про ідеальний пружному або пружнопластичних ізотропному матеріалі, для якого строго сформульовані і обгрунтовані основні положення опору матеріалів, теорії пружності та будівельної механіки. Сталь має дрібнозернисту однорідну структуру з однаковими властивостями по всіх напрямками, напруги пов'язані з деформаціями лінійною залежністю у великому діапазоні, а при певному значенні напруги може бути реалізована ідеальна пластичність у вигляді площадки текучості. Все це відповідає гіпотез та допущення, взятих за основу при розробці теоретичних передумов розрахунку, тому розрахунок, побудований на таких передумовах, повною мірою відповідає дійсній роботі сталевих конструкцій.

Легкість. З всіх виготовлених в даний час несучих конструкцій металеві є найлегшими. За показник легкості беруть відношення щільності матеріалу до його міцності. Найменше значення цей показник має для алюмінієвих сплавів і становить для сплаву Д16-Т 1,1-10-4 м-1. Прийнявши його за одиницю, запишемо порівняльні дані для інших матеріалів: сталь - 1,5 ... 3,4, дерево - 4,9, бетон середнього класу міцності - 16,8.

Порівнявши два однакові конструкції, одна з яких виконана з алюмінієвого сплаву, а інша - з залізобетону, ви можете прийти до помилкового висновку, що за інших рівних умовах залізобетонна конструкція буде приблизно в 16 разів важче. Насправді це не так і залізобетонна конструкція, особливо при великих прольотах, може виявитися більш важкою. Справа в тому, що конструкція несе як би два навантаження: корисну, для якої вона запроектована, і неминучий власну вагу. Наприклад, несуча здатність залізобетонної плити покриття типу ПНС розміром 3х6 м дорівнює 4 ... 4,5 кН/м2, з них 1,3 ... 1,5 кН/м2 (тобто 30%) припадає на власну вагу плити. Сталева панель такого ж розміру, виготовлена з профільованого настилу і швелерів, при тій же несучої здатності буде мати частку власної ваги 0,45 ... 0,50 кг/м 2, що складає близько 10% від загального навантаження.

Непроникність. Метали володіють не тільки великою міцністю, але і високою щільністю -- непроникністю для газів і рідин. Щільність сталі і її сполук, здійснюваних за допомогою зварювання, є необхідною умовою для виготовлення резервуарів, газгольдерів, трубопроводів, різних судин і апаратів.

Індустріального. Сталеві конструкції виготовляють на заводах, оснащених спеціальним обладнанням, а монтаж виробляють з використанням високопродуктивної техніки. Все це виключає або до мінімуму скорочує важка ручна праця.

Ремонтопридатність. Стосовно до сталевих конструкцій найбільш просто вирішуються питання посилення, технічного переозброєння та реконструкції. За допомогою зварювання ви можете легко прикріпити до елементів існуючого каркасу нове технологічне обладнання, при необхідності посиливши ці елементи, що також робиться досить просто.

Сохраняемост' металевого фонду. Сталеві конструкції в результаті фізичного та морального зносу вилучаються з експлуатації, переплавляються і знову використовуються в народному господарстві.

Недоліками сталевих конструкцій є їх схильність до корозії і порівняно мала вогнестійкість . Сталь, не захищена від контакту з вологою, у поєднанні з агресивними газами, солями, пилом піддається корозії. При високих температурах (для сталі -- 600 ° С, для алюмінієвих сплавів - 300 ° С) металоконструкції втрачають свою несучу спо?? обность.

При грамотному проектуванні і відповідної експлуатації ці недоліки не представляють небезпеки для виконання конструкцією своїх функцій, але призводять до підвищення початкових і експлуатаційних витрат.

Підвищення корозійної стійкості сталевих конструкцій досягають включенням в сталь спеціальних легуючих добавок, періодичним покриттям конструкцій захисним шаром у вигляді лаків або фарб, а також вибором раціональної конструктивної форми (без 'щілин та пазух, де можуть накопичуватися волога і пил).

Підвищення вогнестійкості сталевих конструкцій будівель, небезпечних в пожежному відношенні (житлові і громадські будівлі, склади з горючими чи легкозаймистими матеріалами) здійснюють шляхом усунення безпосереднього контакту конструкцій з відкритим вогнем. Для цього передбачають підвісні стелі, вогнестійкі облицювання, обмазки спеціальними складами. Використовуючи спеціальні покриття у вигляді обмазок, можна істотно збільшити межа вогнестійкості.

2.3 Вимоги, що пред'являються до металевих конструкцій

При проектуванні металевих конструкцій повинні враховуватися такі основні вимоги.

Умови експлуатації. Задоволення заданим при проектуванні умов експлуатації є основною вимогою для проектувальника. Воно в основному визначає систему, конструктивну форму споруди та вибір матеріалу для нього.

Економія металу. Вимога економії металу визначається великий його потребою у всіх галузях промисловості (машинобудування, транспорт і т. д.) і щодо високою вартістю.

У будівельних конструкціях метал слід застосовувати лише в тих випадках, коли заміна його іншими видами матеріалів (в першу чергу залізобетоном) нераціональна.

Транспортабельність. У зв'язку з виготовленням металевих конструкцій, як правило, на заводах з подальшим перевезенням на місце будівництва в проекті повинна бути передбачена можливість перевезення їх цілком пли по частинах (відправних елементами) із застосуванням відповідних транспортних засобів.

Технологічність. Конструкції повинні проектуватися з урахуванням вимог технології виготовлення я монтажу з орієнтацією на найбільш сучасні і продуктивні технологічні прийоми, що забезпечують максимальне зниження трудомісткості.

Швидкісний монтаж. Конструкція повинна відповідати можливостям збирання її в найменші терміни з урахуванням наявного монтажного обладнання.

Довговічність конструкції визначається термінами її фізичного та морального зносу. Фізичний знос металевих конструкцій пов'язаний головним чином з процесами корозії . Моральний знос пов'язаний зі зміною умов експлуатації.

Естетичність. Конструкції незалежно від їх призначення повинні мати гармонійними формами. Особливо суттєво це вимога для громадських будівель і споруд.

Всі ці вимоги задовольняються конструкторами на основі вироблених наукою і практикою принципів радянської школи проектування та основних напрямі її розвитку.

Основним принципом радянської школи проектування є досягнення трьох головних показників: економії стали, підвищення продуктивності праці при виготовленні, зниження трудомісткості і термінів монтажу, які і визначають вартість конструкції. Незважаючи на те що ці показники часто при реалізації вступають у протиріччя (так, наприклад, найбільш економна по витраті стали конструкція часто буває найбільш трудомісткою у виготовленні та монтажі), радянський досвід розвитку металевих конструкцій підтверджує можливість реалізації цього принципу.

Економія металу в металевих конструкціях досягається на основі реалізації наступних основних напрямків: застосування в будівельних конструкціях низьколегованих і високоміцних сталей, використання найбільш економічних прокатних і гнутих профілів, вишукування і впровадження в будівництво сучасних ефективних конструктивних форм і систем (просторових, попередньо напружених, висячих, трубчастих і т.п.), вдосконалення методів розрахунку та дослідження оптимальних конструктивних рішень з використанням електронно-обчислювальної техніки.

Ефективно і комплексно виробничі вимоги задовольняються на основі типізації конструктивних елементів і цілих споруд.

Типізація металевих конструкцій в Росії отримала дуже широкий розвиток. Розроблені типові рішення часто повторюваних конструктивних елементів-колон, ферм підкранових балок, віконних і ліхтарних палітурок. У цих типових рішеннях уніфіковані розміри елементів і сполученні. Для деяких елементів розроблені стандарти.

Розроблено типові рішення таких споруд, як радіощогли, башти, опори ліній електропередачі, резервуари, газгольдери, прогонові будови мостів, деякі види промислових будівель, споруд і т. п.

Типові рішення розроблені на основі застосування оптимальних з точки зору витрати матеріалу, розмірів елементів, оптимальної технології їх виготовлення ц можливостей транспортування.

Типізація і що проводиться на її основі уніфікація і стандартизація забезпечують більшу повторюваність, серійність виготовлення конструктивних елементів і їх деталей на заводах і, отже, сприяють підвищенню продуктивності праці, скорочення термінів виготовлення на основі ефективного використання більш досконалого обладнання та спеціальних технологічних пристосувань (кондукторів, копірів, Кантователь і т.п.). Типізація, уніфікація і стандартизація створюють сприятливі умови для розробки та впровадження особливо ефективного поточного методу виготовлення і монтажу металевих конструкцій.

Типові проекти забезпечують економію металу, впорядковують проектування, підвищують його якість і скорочують терміни будівництва.

Провідним принципом швидкісного монтажу є збірка конструкцій у великі блоки на землі з подальшим підйомом їх в проектне положення з мінімальною кількістю монтажних робіт нагорі. Типізація створює передумови для скорочення термінів монтажу, зниження його трудомісткості, так як повторювані види конструкцій та їх сполученні дозволяють краще використовувати монтажне обладнання і вдосконалювати процес монтажу.

Конструкції з металу

3.1 Балки і балкові конструкції

Одним з найбільш поширених елементів сталевих конструкцій є балка або елемент, що працює на згин.

Область застосування балок в будівництві надзвичайно широка: від невеликих елементів робочих майданчиків, міжповерхових перекриттів виробничих або цивільних будівель до великопрольотних балок покриттів, мостів, важко навантажених підкранових балок і так званих "хребтових" балок для підвіски котлів в сучасних теплових електростанціях. Прольоти мостових балок досягають 150 ... 200 м, а навантаження на одну хребті балку котельного відділення ГРЕС при прольоті до 45 м складає ~ 60 -103 кН.

3.1.1 Класифікація балок

За статичної схемою розрізняють однопрогонові (розрізні), багатопрольотні (нерозрізні) і консольні балки. Розрізні балки простіше нерозрізних у виготовленні та монтажі, нечутливі до різних осадів опор, але поступаються останнім по витраті металу на 10 ... 12%. Нерозрізні балки розумно застосовувати при надійних підставах, коли немає небезпеки перевантаження балок внаслідок різкої різниці в осаді опор. Консольні балки можуть бути як розрізними, так і багатопрольотні. Консолі розвантажують пролітні перетину балок і тим самим підвищують економічні показників чи останніх.

За типом перетину балки можуть бути прокатними або складовими: зварними, клепаними або болтовими. У будівництві найбільш часто застосовують балки двотаврового перетину. Вони зручні у компонуванні, технологічні та економічні по витраті металу.

Найбільший економічний ефект (за інших рівних умов) може бути отриманий в тонкостінних балках. Хорошим критерієм відносної легкості згинальних елементу служить безрозмірне співвідношення