2.0 Загальна характеристика та основи проектування металевих конструкцій

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

2.1.1 Одноповерхові виробничі будівлі. Такі будівлі можуть бути однопрогонові і багатопрольотні, в тому числі з прольотами різної висоти, з вбудованими робочими майданчиками і багатоповерховими вставками. Розміри в плані їх вельми різноманітні: від кількох десятків метрів до 1 км і більше. Виробничі будівлі зазвичай обладнали вбудованими транспортними засобами у вигляді конвеєрів, підвісних або мостових опорних кранів. У безкранових 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 будівель при прольотах 12 ... 18 м. Набули поширення будівлі-модулі повної заводської готовності на основі аркових конструкцій, склепінь з об'ємно-формованого тонкого листа, структурних конструкцій (просторових гратчастих систем). Поряд зі сталевими застосовують змішані каркаси, в яких по залізобетонних колон встановлюють сталеві конструкції покриття і підкранові шляхи.

2.1.2. Малоповерхові будівлі. Раніше такі будівлі будували з цегли, залізобетону, дерева та інших традиційних будівельних матеріалів. Зараз у подібних будинках використовують також сталь та алюмінієві сплави, з яких роблять каркас, обшивку утеплених стін, віконні рами, двері, вбудовані шафи, обрешітку перегородок. Освоєно виготовлення суцільнометалевих комплектної поставки "під ключ".

2.1.3. Висотні будівлі. Багатоповерхові будівлі (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. Функції несучих конструкцій виконує сталевий каркас, а огороджувальних - легкі стінні панелі з ефективних теплоізоляційних матеріалів, в тому числі панелі з обшивками зі сталі або алюмінієвих сплавів.

2.1.4. 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 балочні, 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 огороджувальні конструкції, сталі підвищеної і високої міцності, різні способи регулювання зусиль,. В тому числі попереднє напруження.

2.1.5. 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 термінах зведення і при будівництві на стратегічних дорогах, з огляду на можливість їх швидкого відновлення. Мости та естакади мають різноманітні системи: балочні, арочні, висячі. В балочних системах часто застосовують сталежеле-тонних балки, об'єднуючи сталеві головні балки прогонової будови із залізобетонною плитою проїзної частини для спільної роботи на вигин.

2.1.6. Вежі й щогли. Велику групу подібних конструкцій складають антенні пристрої для телебачення, радіомовлення та багатоканального телефонного зв'язку. При передачі середніх хвиль щогла висотою 200 ... 500 м може виконувати функції випромінювача. В 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, переданого по проводах, вимагає значного видалення проводів один від одного і від землі, тому висота опор складає 20 ... 40 м, а при переході лінії через перешкоди може досягати 150 м і більше. Витяжні вежі служать для підтримки газовідвідних стовбурів димових і вентиляційних труб. Висота вежі, обумовлена ​​екологічними вимогами, зазвичай складає 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 вежа підтримує штучний острівець, на якому розміщені бурова вишка, майстерні, вертолітний майданчик, житлові приміщення та ін Це, як правило, унікальні споруди, що досягають глибин 200 ... 300 м і більше при ширині основи порядку 70 м. Гратчасту конструкцію такої вежі виконують з труб діаметром 2 ... 4 м при товщині стінок 60 ... 90 мм. До баштовим конструкцій відносять також геодезичні вишки, промислові етажерки, надшахтні копри, бурові вишки та ін.

2.1.7. Листові конструкції являють собою тонкостінні пластинки і оболонки різної форми. Резервуари служать для зберігання нафтопродуктів, води, зріджених газів, кислот, спиртів та інших рідин. Застосовують резервуари різної форми та розмірів з об'ємом, що досягає 200 тис. м ^3. 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 та його споживачами в якості своєрідних акумуляторів. Застосовують газгольдери постійного обсягу, у яких газ зберігають при високому тиску, і газгольдери змінного об'єму з зберіганням газу при низькому постійному тиску. Змінність обсягу забезпечують рухливими ланками або шайбою, яка, подібно до поршня в циліндрі, переміщається по стінці газгольдера. Місткість газгольдерів змінного об'єму досягає 600 тис. м ^3. Бункери та силоси представляють ємності, призначені для зберігання і перевантаження сипучих матеріалів. Силоси відрізняються від бункерів порівняно великим відношенням висоти до розмірів в плані. Групи бункерів звичайно поєднують у бункерні естакади. Застосовують бункера з плоскими стінками і гнучкі (висячі). До листовим конструкцій відносять також трубопроводи великого діаметра, деякі споруди нафтопереробки, доменного та хімічного виробництв.

2.1.8. 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, індустріальність, а також простота технічного переозброєння, ремонту та реконструкції.

Надійність сталевих конструкцій забезпечується близьким відповідністю характеристик стали нашим уявленням про ідеальне пружному або пружнопластичної ізотропному матеріалі, для якого суворо сформульовані і обгрунтовані основні положення опору матеріалів, теорії пружності і будівельної механіки. Сталь має однорідну дрібнозернисту структуру з однаковими властивостями в усіх напрямках, напруги пов'язані з деформаціями лінійною залежністю у великому діапазоні, а за певного значення напруг може бути реалізована ідеальна пластичність у вигляді площадки плинності. Все це відповідає гіпотезам і допущенням, взятим за основу при розробці теоретичних передумов розрахунку, тому розрахунок, побудований на таких передумовах, повною мірою відповідає дійсній роботі сталевих конструкцій.

Легкість. З усіх виготовлених нині несучих конструкцій металеві є найбільш легкими. 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 дві однакові конструкції, одна з яких виконана з алюмінієвого сплаву, а інша - з залізобетону, ви можете прийти до помилкового висновку, що за інших рівних умов 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 / м ^2, з них 1,3 ... 1,5 кН / м ² (тобто 30%) припадає на власна вага 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 стали і його сполук, здійснюваних за допомогою зварювання, є необхідною умовою для виготовлення резервуарів, газгольдерів, трубопроводів, різних судин і апаратів.

Індустріальність. Сталеві конструкції виготовляють на заводах, оснащених спеціальним обладнанням, а монтаж проводять 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 каркаса нове технологічне обладнання, при необхідності підсиливши ці елементи, що також робиться досить просто. 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, в поєднанні з агресивними газами, солями, пилом піддається корозії. При високих температурах (для сталі - 600 ° С, для алюмінієвих сплавів - 300 ° С) металоконструкції втрачають свою несучу здатність. 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 і пазух, де можуть скупчуватися волога і пил). Підвищення вогнестійкості сталевих конструкцій будівель, небезпечних у пожежному відношенні (житлові та громадські будівлі, склади з горючими або 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 межу вогнестійкості.