ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ

Металлические конструкции применяются во всех видах зданий и инже­нерных сооружений, особенно при значительных пролетах и нагрузках.

С точки зрения конструктивной формы металлические конструкции де­лятся на:

а) конструкции из отдельных стержней (балки, стойки, колонны) или в виде комбинаций этих стержневых элементов (фермы);

б) листовые конструкции типа оболочек, представляющих непрерывную поверхность (трубопроводы, резервуары).

В зависимости от конструктивной формы и назначения металлические конструкции можно разделить на восемь видов:

1.Конструкции каркасов промышленных зданий (50% всего металла в строительных конструкциях). Полностью стальные каркасы использу­ют в промышленных зданиях с большими пролетами, большими высо­тами, с мостовыми кранами большой грузоподъемности, а также в про­изводственных зданиях из легких несущих и ограждающих конструк­ций;

2.Конструкции большепролетных сооружений (от 40м и больше): здания общественного (спортивные сооружения, рынки, театры, выставочные павильоны и специального назначения (ангары, авиасборочные цеха ;

3.Каркасы многоэтажных жилых и общественных зданий Многоэтаж­ные здания используют в основном в гражданском строительстве, в ус­ловиях плотной застройки городов.

4.Мосты и эстакады . Мостовые металлоконструкции на железно­дорожных и автомобильных магистралях применяются при больших и средних пролетах, а также при сжатых сроках возведения. Мосты име­ют разнообразные системы: балочную, арочную, висячую и комбини­рованную;

5.Башни и мачты применяются для радио и телевидения, в опорах ЛЭП, в геодезической службе;

6.Листовые конструкции: резервуары для хранения жидкостей , газгольдеры, бункеры для сыпучих материалов, трубопроводы. Они яв­ляются тонкостенными оболочками различной формы и должны быть не только прочными, но и плотными;

7.Конструкции подвижных транспортных механизмов: мостовые краны, башенные и козловые, краны-перегружатели , ворота гидротех­нических сооружений;

8.Прочие конструкции: радиотелескопы, конструкции атомной энергети­ки, стационарные платформы для разведки и добычи газа и нефти, спортивные сооружения .

Основные технико-экономические задачи в области металлических кон­струкций:

-уменьшение массы расходуемого металла;

-повышение производительности труда при изготовлении и монтаже конструкций;

-снижение стоимости стальных конструкций;

-повышение скорости возведения зданий и сооружений.

Для решения этих задач необходимо:

-расширять применение сталей повышенной и высокой прочности;

-применять экономичные виды профилей и прогрессивные конструк­тивные формы ;

-применять поточно-блочный метод монтажа;

-применять ЭВМ на всех стадиях проектирования.

Стоимость стальных конструкций складывается из:

-стоимости профилей металла (« 65%);

-стоимости изготовления на заводе металлоконструкций (16-22%);

-стоимости монтажа (5-20%);

-транспортных расходов (3-7%);

-стоимости проектирования (2-3%);

-стоимости эксплуатации (2%).

ОСНОВНЫЕ ДОСТОИНСТВА И НЕДОСТАТКИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ

КОНСТРУКЦИЙ

достоинства

1Высокая надежность, которая обеспечивается:

-наиболее полным соответствием гипотезам сплошности, однородно­сти, изотропности, упругости, на которых основаны методы расчета.

- Конструкции из металла при прочих равных условиях могут быть выполнены наиболее жесткими, так как модуль упругости стали значи­тельно превышает модуль упругости других материалов:

-сталь Е = 2,1- 10⁵ МПа;

-алюминиевые сплавы Е = 0,71 - 10⁵ МПа;

-железобетон Е = ( 0,2 - 0,4 ) - 10⁵ МПа;

-дерево Е = 0,1 - 10⁵ МПа.

Металлоконструкции в большинстве случаев разрушаются вязко, то есть потере несущей способности предшествует длительная стадия пластического деформирования, при которой рост деформаций наблюдается визуально, что дает возможность вовремя принять меры для усиления конструкций. Конст­рукции из железобетона разрушаются, как правило, хрупко.

2.Легкость - это отношение плотности материала к его расчетному со­противлению: c = γ / R.Чем меньше с, тем меньше вес конструкции, тем она легче. c = 3,7 - 10 ^-4 м^-1 - для стали; c = 1,35 - 10^-4 м^-1 - для алюминиевого сплава; c = 4,2 - 10^-4 м^-1 - для дерева.

3.Индустриальность.менее трудоемки как в изготовлении, так и в монтаже; их применение сокращает сроки строи­тельства и снижает его стоимость. Стальные конструкции изготавливают на заводах, оснащенных специальным оборудованием, а монтаж производят с использованием высокопроизводительной техники.

4.Непроницаемость.Металлы обладают высокой плотностью - непроницаемостью для газов и жидкостей. Плотность стали и ее соединений, осуществляемых с помощью сварки, является необходимым условием для изготовления листовых конст­рукций.

недостатки:

1. Подверженность коррозии.

Процесс коррозии характеризуется скоростью коррозии:V = k*Vo, мм/год,

где V₀ - скорость коррозии эталонного образца (гладкий стержень) в данных условиях;

к - коэффициент восприимчивости к коррозии, зависит от конструк­тивной формы элемента.

Основные мероприятия по борьбе с коррозией:

-конструктивные, заключающиеся в выборе таких форм сечений и ма­рок сталей элементов, которые имеют наименьшие значения к;

- применение защитных покрытий: лаки, масляные краски, железный сурик, ткани, пропитанные мастиками, и полимерные пленки.

2. Слабая огнестойкость.

При температуре 400⁰С для стали и 200⁰С для алюминиевых сплавов проявляется ползучесть, а при t = 600⁰C для сталей и 300⁰С для алюминие­вых сплавов их механические характеристики становятся равными нулю и конструкция теряет несущую способность. Поэтому в случае опасности воз­действия на металл высокой температуры применяют методы по его защите: изоляция керамическими блоками или бетонирование.

Материал металлических конструкций

В целях унификации все стали, применяемые в строительстве, делятся на три группы прочности: обычной прочности R_un = 365 - 390 МПа; повышенной прочности R_un = 430 - 540МПа; высокой прочности R_un >590 МПа.

Механические свойства стали и ее свариваемость зависят от химиче­ского состава, вида термической обработки и технологии прокатки.

Химический состав стали характеризуется процентным содержанием в ней различных компонентов и примесей.

Углерод - повышает предел текучести и временное сопротивление стали, но уменьшает пластичность и ухудшает свариваемость. Кремний - повышает прочность, но ухудшает свариваемость и стойкость против коррозии.

Марганец - увеличивает предел текучести и временное сопротивле­ние, незначительно снижая пластические свойства стали.

Медь - несколько увеличивает прочность стали и стойкость ее про­тив коррозии.

Лигирующими компонентами, улучшающими те или иные механиче­ские свойства стали являются также никель, хром, ванадий, алюминий, титан, бор.

К вредным примесям относятся :

фосфор - резко уменьшает пластичность и ударную вязкость стали, а также делает ее хладоломкой.

Сера - уменьшает прочностные характеристики.

Кислород и водород - ухудшают структуру стали и способствуют уве­личению ее хрупкости.

Все конструкции делятся на 4 группы(приложение В):

-сварные конструкции, испытывающие воздействия динамических, нагрузок;

-сварные конструкции, работающие при статических нагрузках при наличии растягивающих напряжений ;

-сварные конструкции, работающие на статическую нагрузку с преоб­ладанием сжимающих напряжений;

-вспомогательные конструкции.

Если конструкции не сварные, а выполнены на болтах или заклепках, то конструкции переносятся в смежную группу.

Концентрация напряжений

Концентрацией напряжений называется местное резкое изменение напряженного состояния, вызванное особенностями конструктивной формы или характером нагрузки.

Если в напряженном элементе есть отверстия, выточки, резкий переход от одного сечения к другому, то силовой поток внутри элемента в этих мес­тах будет сгущаться и искривляться. Напряжения у этих мест будут распределяться неравномерно. Возникает возможность перехода стали в хрупкое состояние.

Хрупкость зависит от химического состава стали и способа ее разлив­ки, имеет значение толщина проката. Чем толще сталь, тем выше ее склон­ность к хрупкому разрушению.

Показателем, характеризующим хрупкость металла, является ударная вязкость - работа, затраченная на маятниковом копре для разрушения спе­циального стандартного образца. Чем больше ударная вязкость, тем меньше хрупкость материала. Ударная вязкость уменьшается при понижении темпе­ратуры, а также после наклепа и старения.

Повышение предела упругости с одновременным увеличением хрупко­сти в результате предшествующей пластической деформации называется на­клепом. Старением называется изменение свойств материала с течением вре­мени. Отношение максимального напряжения в месте концентрациик условному равномер-но распределенному в данном сечении напряжению называют коэффициентом концентрации.α_k = σ^k_max / σ₀ При круглом отверстии: σ_x,max = 3σ₀, σ_y,_max = 3/8 σ₀.

В конструкциях, воспринимающих статическую нагрузку, явление концентрации напряжений при обычных типах конструкций и узлов не явля­ется опасным и не учитывается расчетом При действии же переменных нагрузок явление концен­трации напряжений учитывается в расчете, так как наличие концентраторов сильно снижает вибрационную прочность конструкции.

СП(к1) разделяет все конструкции и узлы по степени концен­трации на 8 групп. Примеры:Кромка прокатная или обрезанная механическим путем (гладкая кром­ка) - 1-я группа.Кромка обрезана газовой резкой - 2-я группа.

Работа стали при переменных нагрузках

Переменные нагрузки могут быть с перерывом, когда между периода­ми их воздействия есть периоды отсутствия нагрузок и непрерывно меняю­щиеся во времени нагрузки, которые называют вибрационными.

Основной характеристикой вибрационной нагрузки является коэффи­циент ассиметрии : ρ=P_max/P_min=σ_min/σ_max

Если р=1, то нагрузка статическая;

0 < р < 1 - вибрационная нагрузка с ассиметричным циклом; р= 0 - полный ассиметричный цикл;-1 < р < 0 - вибрационная нагрузка с симметричным циклом; р= - 1 - полный симметричный цикл. Предел прочности материала при данном коэффициенте ассиметрии, количестве циклов нагружения п, эффективном коэффициенте концентраций называется вибрационной прочностью. Отношение предела выносливости гладкого круглого образца к преде­лу выносливости образца, имеющего какие-либо концентраторы напряжений при полном симметричном цикле, называется эффективным коэффициен­том концентраций: β_k=σ_-1/σ^k_-1