17.Влияние конструктивной формы на хладостойкость стальных конструкций.

18.Конструктивная форма каркасов зданий для районов с территориальными особенностями.

19.Легкие стальные конструкции покрытий производственных зданий.

20.Развитие МК на современном этапе.

21.Использование принципа «мобильности» в северных и отдаленных

районах.

22.Комплексное применение инженерных принципов для разработки мобильных зданий.

23.Строительство мобильных зданий из легких конструкций.

24. Форма поверхности мобильных зданий как средство повышения их эффективности.

25.Мобильные инвентарные здания из стальных складывающихся секций Красноярского ПромстройНИИпроекта.

26.Модульные здания комплектной поставки для районов Крайнего Севера.

27.Принцип блокировки модульных зданий.

28.МК в Красноярском крае.

29.Технико-экономический анализ современных решений стальных конструкций покрытий для северных районов.

30.Болтовые соединения при низких температурах.

6.4. Методика изучения теоретических основ

Методически изучение вопросов проектирования МК в «северном исполнении» осуществляется в той же последовательности, что и обычных металлических конструкций.

6.4.1. Особенности применения металлических конструкций на территории Сибири, в том числе в ее северных районах

Актуальность вопроса связана с развитием отраслей экономики, имеющих важное народнохозяйственное значение – рост нефти и газодобычи в северных районах Красноярского края с низкими температурами.

Особенность в эксплуатации металлических конструкций при низких температурах (климатический диапазон, оговоренный СП [13], до минус 60оС) заключается в повышенной вероятности хрупкого разрушения. Низкая температура может рассматриваться как наиболее активно действующий охрупчивающий фактор, на фоне которого более остро проявляется действие других охрупчивающих факторов внешнего и внутреннего характера.

Действующие нормы проектирования [13, 14], изготовления и монтажа стальных конструкций предусматривают целый ряд требований и рекомендаций по предотвращению хрупкого разрушения элементов.

24

Все нормативные документы в большей или меньшей степени отражают опыт, накопленный в нашей стране при анализе отказов конструкций и при исследованиях хрупкого разрушения стали. Пренебрежение этими требованиями или недопонимание важности их соблюдения может привести к существенному снижению надежности конструкций, а иногда к аварийному состоянию. Детальный подсчет требований, указаний и рекомендаций показывает, что 24 из них относится к проектированию конструкций, 17 – к изготовлению, 2 – к транспортировке и 3 – к монтажу. Естественно, что не все требования и указания равнозначны по их действенности. Тем не менее при проектировании конструкций, разработке технологических методов их изготовления и монтажа приходится решать такие задачи, как выбор стали, конструктивной формы конструкций и каркасов зданий, технологических условий монтажа конструкций и др. с учетом всех нормативных документов.

Вопросы для самостоятельной работы студентов:

1)особенности, которые необходимо учитывать при проектировании, изготовлении и возведении сварных строительных металлоконструкций в районах

срасчетными температурами от минус 45 оС до минус 60 оС [2 – 8, 13, 14, 16];

2)особенности проектирования болтовых соединений при низких температурах;

3)особенности изготовления МК на открытых площадках при непосредственном воздействии низкой температуры [12];

4)выбор конструктивной формы для хладостойких конструкций [16];

5)метод деконцентрации напряжений [16];

6)технологические методы повышения хладостойкости МК [12, 16-18]:

• при изготовлении;

• при транспортировке;

• при монтаже.

7)технические возможности каркасов зданий из МК, рекомендуемых для применения в районах с расчетной температурой от минус 45 оС до минус 60 оС.

6.4.2.Проектирование стальных конструкций

сучетом предотвращения хрупкого разрушения

При проектировании стальных конструкций следует исключить возможность их хрупкого разрушения, возникающую вследствие неблагоприятного влияния сочетания следующих факторов:

•пониженной температуры, при которой сталь в зависимости от ее химического состава, структуры и толщины проката переходит в хрупкое состояние;

•действия подвижных, динамических и вибрационных нагрузок;

•высоких местных напряжений, вызванных воздействием сосредоточенных нагрузок или деформаций деталей соединения, а также остаточных напряжений;

25

•резких концентраторов напряжений, ориентированных поперек направления действия растягивающих напряжений.

Для предотвращения хрупкого разрушения конструкций следует:

•выбирать сталь согласно требованиям [13];

•по возможности избегать расположения сварных швов в зонах действия растягивающих напряжений, превышающих 0,4Ry;

•принимать меры по снижению неблагоприятного влияния концентрации напряжений и наклепа, вызванных конструктивным решением или возникающих при различных технологических операциях (правка, гибка, гильотинная резка, продавливание отверстий и т.п.);

•избегать пересечений сварных швов;

•для сварных стыковых соединений применять выводные планки и физические методы контроля качества швов;

•учитывать, что конструкции со сплошной стенкой имеют меньше концентраторов напряжений, чем решетчатые;

•в стыках элементов, перекрываемых накладками, фланговые швы не доводить до оси стыка не менее чем на 25 мм с каждой стороны;

•применять возможно меньшие толщины элементов сечения (особенно при гильотинной резке кромок и продавливании отверстий);

•фасонки связей, вспомогательных и других второстепенных элементов крепить к растянутым элементам конструкций по возможности на болтах.

При применении в сварных соединениях проката толщиной t ≥ 25 мм из низколегированных сталей в крестообразных, тавровых и угловых соединениях,

атакже у сварных швов с полным проплавлением, один из элементов в которых испытывает растягивающие напряжения по толщине листа, возникает риск появления слоистого разрушения (дефекта в прокате, образующегося под действием сварки, в виде слоистых трещин, параллельных плоскости проката) [19].

Такой дефект обычно обнаруживается при ультразвуковом контроле качества швов.

Возникновение слоистого разрушения существенно зависит от формы соединений и расположения сварных швов, от размера шва, толщины свариваемых элементов, степени жесткости соединения и технологии сварки.

Склонность проката к слоистым разрушениям следует определять при испытаниях на растяжение в соответствии с ГОСТ 28870 по величине относительного сужения ψz на образцах, ось которых нормальна к поверхности проката.

Исключить возможность слоистого разрушения можно при соблюдении условия

ψzp ψzн

где ψzp – суммарный фактор риска; ψ zн – нормируемое значение фактора риска для проката в соответствии с ГОСТ 28870: ψzн 15, ψzн 25, ψzн 35 соответственно для групп качества проката Z15, Z25, Z35.

26

где ψzф – форма соединения и расположения сварных швов; ψzт – толщина свариваемого проката; ψzш – катет шва; ψzж – степень жесткости соединения; ψzc – влияние технологии сварки (суммарный фактор от количества проходов, последовательности наложения швов и подогрева).

Значения ψzф , ψzт , ψzш , ψzж , ψzc представлены в табл. 37 [13] и в табл. 1

[16].

Расчетное значение ψzр может быть уменьшено на 50% в случае работы

материала на статическое сжатие по толщине и увеличено на 10% – в случае действия по толщине динамических или вибрационных нагрузок.

6.4.3. Выбор материала и соединений для металлических конструкций с учетом климатического

района строительства («северное исполнение»)

Стали для МК «северного исполнения»

Выбор стали производится на основе вариантного проектирования и технико-экономического анализа с учетом рекомендаций СП [13]. В целях упрощения заказа металла при выборе сталей различной прочности следует стремиться к большей унификации конструкций, сокращению числа сталей и профилей. Выбор стали в общем случае зависит от следующих параметров, влияющих на работу материалов:

•температуры среды, в которой монтируются и эксплуатируются конструкции; этот фактор учитывает опасность хрупкого разрушения при пониженной температуре, что особо важно для конструкций «северного исполнения»

•вида напряженного состояния в конструкции; наличие поля растягивающих напряжений повышает опасность хрупкого разрушения конструкций «северного исполнения»;

•толщины проката, применяемого в элементах; этот фактор учитывает изменение свойств стали с увеличением толщины.

Всоответствии с СП [13] при назначении стали для конструкций следует учитывать группу конструкций, расчетную температуру, требования по ударной вязкости и химическому составу согласно приложению В [13].

За расчетную температуру в районе строительства следует принимать температуру наружного воздуха наиболее холодных суток обеспеченностью 0,98, определенную согласно СП [20].

Всоответствии с СП [13] требования к поставке стали установлены для трех климатических районов строительства с расчетными температурами от

27

минус 45оС и выше, от минус 45оС до минус 55оС включительно и ниже минус 55оС, а также в зависимости от группы конструкций, нормируемых показателей по ударной вязкости и требований по химическому составу.

Необходимо помнить, что хрупкое разрушение элементов стальных конструкций является одним из самых опасных видов их предельных состояний первой группы; опасность такого разрушения связана с внезапностью, отсутствием заметных пластических деформаций стали при разрушении элементов; возможностью снижения их прочности до неопределенно низкого уровня, т.е. с разрушением стальных конструкций при нагрузках нормальной эксплуатации.

Многофакторность хрупкого разрушения стали и стальных конструкций существенно осложняет расчетную оценку прочности элементов. Для малоуглеродистых и низколегированных сталей среди факторов, вызывающих хрупкое разрушение, доминирующим является снижение температуры. В связи с этим, сопротивление элементов стальных конструкций хрупкому разрушению отождествляется с понятием их хладостойкости.

Одним из важнейших условий обеспечения надежной работы металлоконструкций в «северном исполнении» является сохранение вязкости и пластичности стали при температуре наружного воздуха минус 45оС… минус 60оС.

Сказанное выше подчеркивает важность проблемы выбора стали для МК «северного исполнения» и вынесено для самостоятельного изучения студентом.

План самостоятельной работы:

1)вспомнить раздел общего курса металлических конструкций «Материалы для строительных стальных конструкций» [2-5], что дает более глубокое понимание поставленной задачи;

2)изучить технические требования, предъявляемые к стальному прокату для МК;

3)для более полного понимания вопроса познакомиться с результатами исследований по использованию малоуглеродистых сталей для МК «северного исполнения» [16, 21], а также самостоятельно поработать с монографиями, пособиями, периодической отечественной и иностранной технической литературой, касающихся данной проблемы;

4)так как в реальном проектировании используют нормативные документы [13], то следует изучить их рекомендации, учитывая информацию п.п. 1, 2, 3, и выбрать сталь для МК «северного исполнения».

При выборе стали для конструкций особое внимание следует обратить на соответствие категории стали требованиям СП [13]; категория отражает требования ГОСТов к химическому составу стали, ее механическим свойствам, включая ударную вязкость при комнатной и низких температурах. Как правило, номер категории в одном из ГОСТов может не соответствовать по указанным требованиям этому же номеру категории в другом ГОСТе.

28

Окончательный выбор стали в пределах каждой группы конструкций должен выполняться на основе вариантного проектирования и сравнения тех- нико-экономический показателей (расхода стали и стоимости конструкций), а также с учетом заказа металла и технологических возможностей завода – изготовителя. При этом можно воспользоваться рекомендациями, изложенными в [16, 21]. Однако использование литературных источников не должно сводиться к голому копированию готовых решений или примеров расчета. Желательно использовать также и справочную литературу.

Болтовые соединения

Этот вид соединений широко применяется при монтаже всех конструкций, в т.ч. МК «северного исполнения», а также при сборке элементов типовых конструкций на строительной площадке. Есть некоторые особенности использования болтовых соединений в МК «северного исполнения», которые студенту предлагается изучить самостоятельно при условии, что он владеет знаниями раздела «Болтовые соединения» общего курса металлических конструкций и нормативных документов [2-8, 13].

Вопросы для самостоятельного изучения:

1)требования к болтам при различных условиях их применения [13];

2)влияние температуры на выбор класса прочности болтов;

3)ограничения по применению болтов классов точности А и В в многоболтовых соединениях [13];

4)особенности размещения болтов в МК «северного исполнения»;

5)марки стали для фундаментных болтов; влияние температуры.

Сварные соединения

Этот вид соединения должен исключить в МК «северного исполнения» возможность хрупкого разрушения как основного металла так и в сварных швов, что имеет место в результате неблагоприятного сочетания следующих факторов: прежде всего, пониженной температуры, при которой сталь в зависимости от ее химического состава, структуры и толщины проката переходит в хрупкое состояние; высоких местных напряжений, вызванных сосредоточенными нагрузками; резких концентраторов напряжений на участках с высокими местными напряжениям, направленными поперек действующих растягивающих напряжений.

Общие вопросы расчета, проектирования и исследования сварных соединений изложены в [2-5, 13]; вопросы для самостоятельного изучения приводятся ниже:

1)выбор сварочных материалов (электродов, сварочной проволоки и т.д.) в соответствии со сталями соединяемых элементов и расчетной температурой [13];

2)проектирование сварных угловых швов в климатических районах с расчетной температурой ниже минус 45оС до минус 60оС [13];

29