Лекция 1
История развития металлических конструкций
История развития металлических конструкций можно условно разделить на пять периодов.
Первый период относится к XII – началу XVII вв. В это время еще нет как таковых металлических конструкций. Металл применяется в виде затяжек и скреп для каменной кладки сводов и столбов в церквях и дворцах. Металлические затяжки выполнялись из кованного железа.
Одним из первых сооружений с применением металлических затяжек стал Успенский собор во Владимире (1158г.). Также металлические затяжки были применены для поддержания каменного потолка над коридором храма Василия Блаженного (1560г.)
Второй период приходится на начало XVII – конец XVII вв. В это время начинают применять наклонные металлические стропила и пространственные купольные конструкции в основном для глав церквей. Стержни конструкций выполнялись из кованных брусков и соединены при помощи скреп на горновой сварке. Горновая сварка – кузнечная сварка, производится путем одновременного деформирования элементов после нагрева мест сварки в горне или печи.
Рисунок 1. – Конструкции купола
Примеры перекрытий:
- 18 метровое перекрытие трапезной Троицко-Мергиева монастыря в Загорске (1696-1698гг.);
- перекрытие Большого Кремлевского дворца в Москве (1649г.).
Примерами металлических куполов служат:
- каркас купола колокольни Ивана Великого (1603г.). Диаметр около 15 метров???;
- каркас 15 метрового купола Казанского собора в Санкт-Питербурге (1805г.).
Третий период с начала XVIII в. до середины XIX в. В это время происходит освоение процесса литья чугунных стержней и деталей. Начинается строительство чугунных мостов и конструкций перекрытия зданий. Соединения чугунных элементов между собой производят на болтах.
Первой чугунной конструкцией считается перекрытие Невьянской башни на Урале (1725г.).
Первый чугунный мост построен в Санкт-Петербурге в 1784г.
В 40-ч годах XIX в. был построен Исакиевский собор в Санкт-Питербурге. Его купол состоит из отдельных косяков в виде сплошной оболочки. Наружная оболочка купола из легких металлических конструкций опирается на чугунную конструкцию.
В 1827-1832гг. была использована чугунная арка в перекрытии Александринского театру в Петербрге. Пролет ее составил 30 м.
Самый крупный чугунный мост в мире был построен в 50-ч годах XIX в. в Питербурге. Николаевский мост. Его пролеты составили от 33 до 47 м.
В это же время наслонные стропила странсформируются в железочугуннык фермы. Растянутые элементы этих ферм были выполнены из железа, а сжатые из чугуна. Соединения ферм выполнялись на болтах. Фермы имеют простую структуры. Раскосы еще не применяются.
Четвертый период от 30-х годов XIX в. до 20-х годов XX в.
В 30-х годах XIX в появляются заклепочные соединения.
В 40-ч годах освоен процесс получения прокатного листа и профильного материала.
Сталь постепенно вытесняет чугун. Происходит совершенствование конструктивной формы ферм. Появляются раскосные системы. Появляются рамно-арочные каркасы. Долгое время металлические конструкции соединяют при помощи клепанных соединений.
Пример здания с рамно-арочным каркасом Киевский вокзал в Москве (1813-1914гг.)
Большой вклад в развитие металлических конструкций внесли Ясинский, Шухов, и Прокофьев.
Ясинский первым запроектировал многопролетное промышленное здание с металлическими колоннами и разработал большепролетные складчатые покрытия.
Шухов разработал пространственные решетчатые конструкции покрытия. Башня Шухова
Пятый период начинается с конца 20-х годов XX в. К 40-м годам клепаные конструкции практически полностью заменяются новым видом соединения сваркой. Малоуглеродистую сталь заменяют более прочной низколегированной. Производится типизация и унификация конструкций. Большое развитие получили листовые конструкции
Область применения металлических конструкций.
В зависимости от формы и назначения металлические конструкции можно разделить на 8 видов:
- промышленных зданий; цельнометаллические или смешанные каркасы(по жб колоннам металлические конструкции покрытия);
- большепролетные покрытия зданий: спортивные сооруж, рынки, театры,ангарыи т.д.;
- мосты и эстакады;
- листовые конструкции – резервуары, бункеры, газгольдеры, трубопроводы;
- башни и мачты для радио и телевидения, опоры линий электропередач;
- каркасы многоэтажных зданий;
- крановые конструкции (мостовые, башенные и козловые краны);
- прочие конструкции – платформы для разведки и добычи нефти и газа в море.
Виды нагрузок
По времени действия нагрузки бывают:
- постоянные (вес частей зданий, вес и давление грунта, воздействие предварительного напряжения);
- временные:
- длительные (вес стационарного оборудования, вес жидкостей и сыпучих материалов в емкостях, давление жидкостей и газов в резервуарах и трубопроводах, нагрузки на перекрытия складов и библиотек, длительные технологические температурные воздействия);
- кратковременные (атмосферные и температурные климатические воздействия, нагрузки на перекрытия общественных зданий от массы людей, нагрузки и воздействия от строительных материалов при ремонте зданий, нагрузки при перевозке строительных конструкций и монтаже и перестановке оборудования);
- особые (сейсмические и взрывные нагрузки, нагрузки, возникающие при просадках основания с коренным изменением свойств грунта).
Нормативные значения нагрузок принимаются на основе статистических данных. Нагрузки от строительных конструкций принимаются по данным стандартов или по размерам. Нагрузки от грунтов устанавливаются в зависимости от вида грунта и его плотности. Нагрузки на перекрытия складов, библиотек и некоторых других видов зданий принимаются по СНиП «Нагрузки и воздействия». Нагрузки от снега, ветра и гололеда принимаются по данным СНиП. Нагрузки от оборудования принимаются по паспортам на оборудование.
Коэффициент надежности по нагрузке учитывает изменчивость нагрузок вследствие случайных отступлений от заданных условий нормальной эксплуатации зданий. Устанавливается после обработки статистических данных наблюдений за фактическими нагрузками во время эксплуатации зданий. Зависит от вида нагрузки, от способа изготовления конструкций. Установлен в СНиП.
Расчетные значения нагрузок получают путем умножения нормативных значений нагрузок на коэффициент надежности по нагрузке. Исключение составляет снеговая нагрузка. Для нее в СНиП задано расчетное значение.
Так на конструкцию действует несколько нагрузок сразу, то установлены следующие сочетания нагрузок:
- основные сочетания – состоят из постоянных и временных длительных и кратковременных нагрузок;
- особые сочетания – состоят из постоянных, временных длительных и кратковременных нагрузок и одной из особых нагрузок.
При расчете конструкций на основные сочетания, учитывающие 2 и более временных нагрузки устанавливают понижающие коэффициенты, так как одновременное появление максимальных значений всех нагрузок маловероятно. При расчете находят такое сочетание нагрузок при котором усилия в конструкции будут максимальны.
Достоинства и недостатки металлических конструкций
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).
5 К 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=2000С у стали уменьшается модуль упругости. При t=6000С сталь переходит в пластическое состояние (теряется несущая саособность). Алюминиевые сплавы переходят в пластическое состояние уже при t=3000С. При эксплуатации металлических конструкций в пожароопасных зданиях необходимо облицовывать их огнестойкими материалами.
6 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.
Технические
Экономические
Эстетические
надежность
долговечность
экономия материала
повышение производительности труда при изготовлении
снижение трудоемкости и сроков монтажа
совершенствование существующих конструкций
создание новых конструктивных форм
изучение действительной работы конструкций и совершенствование метода расчета
применение сталей повышенной и высокой прочности
применение эффективных профилей
Экономичность определяется затратами на металл и другие материалы, необходимые для изготовления конструкций, стоимостью изготовления, транспортирования и монтажа.
Экономия металла – одно из важнейших требований при проектировании металлических конструкций, так как стоимость металла составляет более половины стоимости конструкций. К тому же сталь является дефицитным материалом, широко применяемым в других областях промышленности.
Экономия металла достигается на основе реализации следующих основных направлений:
1.совершенствование применяемых в строительстве металлоконструкций (практикой наработано большое количество различных видов конструкций);
2.создание и внедрение в строительстве современных эффективных конструктивных форм и систем (пространственные, предварительно напряженные, висячие, структурные и т.п.);
3.совершенствование методов расчета и изыскание оптимальных конструктивных решений с использованием электронно-вычислительной техники.
Совершенствование существующих конструкций, в первую очередь, обеспечивается применением сталей повышенной и высокой прочности, использованием наиболее экономичных прокатных и гнутых профилей.
Стали повышенной и высокой прочности получают путем легирования и термической обработки, что увеличивает их стоимость. Однако увеличение стоимости отстает от роста прочности металла.
Следует отметить, что снижение веса конструкций косвенно сказывается на уменьшении размеров нижерасположенных конструкций (стены, колонны, фундаменты и т.п.), воспринимающих нагрузку от собственного веса, а также при транспортировании и монтаже наиболее легких конструкций.
Транспортабельность конструкций. В связи с изготовлением металлических конструкций на заводе с последующей перевозкой их к месту монтажа должно быть предусмотрено разделение конструкций на отправочные элементы, соответствующие транспортным средствам по массе и габаритам.
Основным способом доставки конструкций является транспортирование их по железной дороге, поэтому отправочный элемент должен вписываться в железнодорожный габарит.
Скоростной монтаж определяется соответствием конструкции возможностям ее сборки в наименьшие сроки при меньшей трудоемкости с использованием современного монтажного оборудования. Быстрый ввод здания или сооружения в эксплуатацию позволяет получить дополнительную прибыль, тем самым компенсировать часть затрат на строительство.
Ведущим принципом скоростного монтажа является предварительная сборка конструкций в крупные блоки на земле с последующим подъемом и установкой их в проектное положение при минимальном объеме монтажных работ наверху.
Эстетичность. Конструкции независимо от их назначения должны обладать гармоничными формами, иметь приятный внешний вид, что особенно важно для общественных зданий и сооружений, отражать национальные особенности и традиции.
Лекция 2
Виды сталей, применяемых для производства металлических конструкций