3)влияние предела текучести стали соединяемых элементов на выбор катета углового шва [13, табл. 38];

4)особенности применения прерывистых сварных швов [2-4, 13];

5)меры, предотвращающие хрупкое разрушение стальных конструкций со сварными швами.

6.4.4. Особенности проектирования зданий и сооружений из металлических конструкций в «северном исполнении»

Климатические и технологические особенности возведения и эксплуатации зданий и сооружений в районах Сибири с суровым климатом предъявляют к конструкциям «северного исполнения» повышенные требования по несущей способности, надежности, максимальной заводской готовности и сочетанию с другими конструкциями. Большое значение приобретают и геометрические размеры несущих конструкций, особенно размеры, определяющие отапливаемый объем здания и площадь стен.

На основании опыта проектирования сформулированы основные положения, которыми рекомендуется пользоваться при проектировании металлоконструкций промышленных зданий и сооружений в «северном исполнении»:

1.При выборе схем несущих конструкций следует применять, в основном, статически неопределимые системы, обеспечивающие повышение надежности. С этой целью необходимо максимально использовать пространственную работу каркаса здания и покрытия.

2.При обеспечении технологических требований рекомендуется в качестве основного принимать шаг плоских конструкций несущего каркаса здания равным 12 м.

3.При выборе материала несущих стальных конструкций следует отдавать предпочтение сталям, сочетающим высокую прочность с пластичностью, уменьшающим опасность хрупкого разрушения.

4.Несущие элементы конструкций рекомендуется выполнять сплошностенчатыми, что обеспечивает их сохранность при транспортировке и складировании.

5.Для пролетов зданий 36м и более рекомендуется применять сплошностенчатые арки ломаного очертания с затяжкой.

6.При подборе сечений элементов конструкций предпочтение следует отдавать листовому и фасонному прокату меньшей толщины, а также использовать замкнутые гнутосварные профили, имеющие ограниченную наружную поверхность.

7.Количество концентраторов напряжений в узлах и элементах конструкций, таких как резкие углы перелома между элементами, отверстия, подрезки и т.д., должно быть сведено к минимуму. Кромки растянутых элементов из низколегированной стали после резки должны быть подвергнуты механической обработке.

30

8. Следует сокращать количество монтажных деталей – скоб, планок, стержней, привариваемых к основным конструкциям. После монтажа эти детали должны быть удалены, а места их приварки зачищены, особенно в растянутых элементах конструкций.

9. В отправочных марках несущих конструкций по возможности должны отсутствовать выступающие части. При наличии в монтажных узлах выступающих частей их прочность должна быть обеспечена при транспортировке и складировании.

10. При конструировании монтажных узлов соединения ригеля и колонны рекомендуется:

–вертикальную опорную реакцию передавать через уголковые накладки и болты, распределенные по высоте стенки, или через опорные столики из листа;

–растягивающую силу, действующую по верхнему поясу ригеля, передавать через листовые боковые накладки и болты, либо через фланцевые соединения с использованием прокатных тавров и болтов;

–сжимающую силу, действующую по нижнему поясу, передавать через фланцевые соединения на болтах.

11. При соответствующем технико-экономическом обосновании следует проектировать покрытия в виде крупных блоков, предусматривая их сборку на конвейерной линии или в тепляках.

В случае изготовления металлических конструкций на открытых площадках при непосредственном воздействии низкой температуры главными специфическими факторами являются:

• условия для увлажнения свариваемых кромок основного металла и сварочных материалов (флюсов, электродных покрытий и др.), что существенно повышает опасность образования пор и содержание водорода в металле шва;

• увеличение вероятности хрупких разрушений в процессе сборки, транспортировки и кантовки незаконченных изготовлением элементов конструкций;

• отрицательное физиологическое воздействие низкой температуры на организм человека, что приводит к увеличению вероятности образования разнообразных технологических дефектов при формировании сварного шва (непровары, шлаковые включения, подрезы, наплывы), являющихся острыми концентраторами напряжений.

Для гарантирования эксплуатационной надежности важное значение приобретает выполнение некоторых конкретных рекомендаций, полученных в результате многолетнего опыта проектирования, изготовления и эксплуатации стальных сварных конструкций для северной климатической зоны, а также научных разработок ряда ведущих исследовательских организаций, занимающихся данной проблемой.

Основным документом для проектировщиков являются действующие нормы проектирования [13, 14], предусматривающие целый ряд требований и рекомендаций по предотвращению хрупкого разрушения конструкций зданий

31

и сооружений. Эти требования и рекомендации, которые неукоснительно надо соблюдать, являются предметом самостоятельного изучения студентами.

Вопросы по проектированию зданий и сооружений из МК, а также их элементов в «северном исполнении» для самостоятельной работы студентов

[13, 14]:

1)устройство температурных и деформационных швов;

2)обеспечение неизменяемости пространственной системы каркаса здания и сооружения;

3)расчет элементов стальных конструкций при центральном растяжении и сжатии;

4)расчет элементов стальных конструкций при изгибе;

5)расчет элементов стальных конструкций на действие продольной силы с изгибом;

6)расчет элементов стальных конструкций на прочность с учетом хрупкого разрушения;

7)расчет элементов стальных конструкций на выносливость;

8)проектирование стальных конструкций с учетом предотвращения хрупкого разрушения.

Вопросы для самостоятельного изучения составлены с учетом знаний общего курса металлических конструкций.

Выбор конструктивной формы балочных конструкций

Проектирование стальных конструкций любого вида и назначения, как правило, процесс многовариантный. В особой степени это относится к нетиповым конструкциям, выбор конструктивной формы которых, а также формы их элементов, во многом зависит от квалификации конструктора.

При выборе конструктивной формы следует учитывать [16], например, что сплошностенчатые конструкции по сравнению со сквозными имеют значительно меньше очагов конструктивно-технологических концентраторов напряжений, практически нечувствительны к случайным эксцентриситетам нагрузки, в них существенно меньше узлов и сопряжений, в которых возникают дополнительные напряжения, неучитываемые расчетом. Практически все современные стальные конструкции являются сварными, однако для монтажных соединений в целях повышения хладостойкости конструкций целесообразно широко применять соединения на болтах, в том числе высокопрочных.

Выбор конструктивной формы является важнейшей задачей при проектировании хладостойких конструкций. Очевидно, требование хладостойкости в климатических условиях нашей страны предъявляется ко всем конструкциям, эксплуатируемым при воздействии естественных низких температур воздуха и особенно к конструкциям, подверженным динамическим и циклическим воздействиям или работающим в агрессивных средах, а также возводимых в климатических районах с расчетными температурами ниже минус 40 °С. Выбирая форму элементов таких конструкций, надо избегать применения

32

конструктивной формы низкой хладостойкости. Следует учитывать, что концентрация напряжений сама по себе, даже в предельной своей форме в виде трещин, не приводит к катастрофическому снижению прочности малоуглеродистых и низколегированных сталей. Опасность концентрации напряжений всегда усугубляется в тех случаях, когда возникает в зонах, охрупченных технологическими воздействиями сварки или наклепом стали. Именно в конструктивных формах низкой хладостойкости и сочетаются эти два фактора хрупкого разрушения.

Как правило, для всех конструктивных форм низкой хладостойкости можно найти конструктивно-технологические методы и приемы, которые будут соответствовать принципам повышения хладостойкости.

Конструктивная форма многовариантна. Можно создать несколько конструктивных форм, отвечающих заданным требованиям. Выбор из этого многообразия оптимальной формы возможен только на основе инженерных (материалоемкость, трудоемкость изготовления и монтажа, скорость возведения и стоимость) и технологических (надежность и долговечность) критериев.

Окончательное решение о выборе конструктивной формы должно устанавливаться на основе обобщенного критерия – минимальной металлоемкости и стоимости, полученной с учетом приведенных затрат.

Вопросы для самостоятельной работы:

1)методика подбора минимальных сечений изгибаемых элементов

[13]для:

•балок из однородного материала с устойчивой стенкой;

•бистальных балок с устойчивой стенкой;

•балок с гибкой стенкой;

•балок с перфорированной стенкой.

2)сравнительная оценка металлоемкости стропильных конструкций (балок и ферм различной конструктивной формы) [16];

3)задача выбора оптимальной высоты балки;

4)условия выбора конструктивной формы балочных конструкций

[16].

Выбор конструктивной формы ферменных конструкций

Облегчение ферм осуществляется в основном за счет отказа от значительной части фасонок и сухарей в их конструкции. Использование одиночных уголков, тавров, двутавров с параллельними гранями полок, контактной сварки (электрозаклепок) в узлах обеспечивают снижение трудозатрат на изготовление ферм по сравнению с традиционными конструкциями стержней из парных уголков и фасонок. Применение замкнутых сечений – круглых и прямоуголньных труб – обеспечивают дополнительную экономию металла и более эффективное использование сталей повышенной и высокой прочности в сжатых и в сжато-изогнутых стержнях. Кроме того, фермы из замкнутых стержней обладают повышенной устойчивостью на монтаже.

33

Эффективность сечений стержней ферм и колонн оценивается удельным

радиусом инерции j i / A и коэффициентом α = i / h – показателями, зависящими от формы сечения и относительной тонкостенности (табл. 1).

Таблица 1

34

Данная таблица свидетельствует о явных преимуществах сечений тавров, гнутых швеллеров, круглых и прямоугольных труб по сравнению с парными уголками.

Анализ металлоемкости покрытий показал, что использование конструкций из прогрессивных профилей не всегда дает ожидаемую экономию металла. Так, например, металлоемкость ферм с поясами из широкополочных тавров при пролетах 18 и 24 м на 4-7% выше, чем у типовых уголковых ферм. Перерасход стали обусловлен тем, что из-за малого набора, освоенных производством профилей, сортаменты стропильных и подстропильных ферм составлены с большим шагом нагрузок, что приводит при определенных условиях к значительному недоиспользованию несущей способности конструкций.

Покрытия с фермами из замкнутых гнутосварных профилей (ЗГСП) имеют наименьшую металлоемкость, но область распространения их значительно ограничена, что объясняется также недостаточным набором освоенных профилей.

Наиболее проработанными и имеющими наибольшую область распространения для условий сурового климата оказываются фермы из спаренных прокатных уголков, т.е. конструкции, относительно которых в последнее время утвердилось мнение, как об устаревших, «традиционных», служащих эталоном для демонстрации эффективности новых конструкций.

Вопросы для самостоятельного изучения:

1)проектирование ферменных конструкций с учетом предотвращения хрупкого разрушения [2-4, 7, 8, 13, 16];

2)конструктивные требования, предъявляемые к фермам при их проектировании [13, 16];

3)особенности проектирования ферм из гнутосварных профилей, с поясами из широкополочных двутавров, с поясами из широкопллочных тавров и перекрестной решеткой из одиночных уголков, из круглых труб [13, 16].

Применение зданий-модулей с учетом территориальных особенностей

Здание-модуль представляет собой здание из МК комплектной поставки (КП) с фиксированными параметрами, предназначенного для размещениями групп однородных технологических процессов. Возводится оно на основе типового комплекта МК и инженерного оборудования в комплектно-блочном исполнении.

Данный тип зданий отличается от традиционных решений возможностью блокировки.

Модульные здания используются:

•для строительства предприятий в отраслях, требующих ускоренного развития;

•для объектов городской и сельской инфраструктуры;

•для обеспечения людей временным жильем в зонах бедствий;

•для организации вахтовых поселков, баз поисково-спасательных служб, модульных лабораторных и исследовательских комплексов и т.п.

35

Теплостойкость модульных зданий:

•повышенная прочность и устойчивость к неблагоприятным условиям – не поглощают влагу и не деформируются;

•использование в климатических районах с температурными режимами от минус 60 оС и выше; рабочая температура внутри помещений +20 оС.

Мобильность модульных зданий:

•высокая скорость строительства;

•возможность изменения места дислокации;

•использование там, где невозможно вести капитальное строительство;

•транспортировка любым видом транспорта.

Автономность модульных зданий: вся внутренняя инфраструктура (электроснабжение, отопление, водоснабжение и водоочистка и т.д.) может быть организована независимо от централизованных наружных инженерных сетей.

Вопросы для самостоятельной работы студентов:

1)изучение особенностей территориального применения зданиймодулей (по материалам соответствующих сайтов Интернета);

2)типы зданий-модулей «северного исполнения» [22].

Использование принципа «мобильности» в северных и отдаленных районах

В настоящее время значительно расширилась область применения мобильных зданий, предназначенных, в первую очередь, для быстрого возведения временных поселков геологов, строителей и других категорий населения. Это связано с выполнением различных социальных программ, устранением последствий природных и техногенных катастроф, развитием туризма и др.

Согласно стандарта [23] мобильное здание или сооружение определяется как здание или сооружение комплектной заводской поставки, конструкция которого обеспечивает возможность его передислокации. В зависимости от типа мобильного здания число его передислокаций за срок эксплуатации должно быть не менее трех для сборно-разборных зданий из линейных и плоских элементов и не менее пяти – для сборно-разборных зданий из блокконтейнеров [24].

По степени мобильности здания делятся на две группы: сборноразборные и контейнерные [23]. Благодаря наибольшей заводской готовности уже в конце 1980-х гг. преобладающим типом стал контейнерный.

Соответствие с климатическими воздействиями определяется их исполнением в зависимости от расчетной температуры наружного воздуха:

• северное (С) с расчетной температурой наружного воздуха t = – 55оС;

•обычное (01) с t = – 45оС;

•обычное (02) с t = – 35оС;

•южное (Ю) с t = 25оС.

Необходимость обеспечения возможности передислокаций вносит специфику в конструирование узлов и стыков таких зданий. Если во время мон-

36

тажа стационарных зданий, состоящих из отдельных элементов, как правило, нет необходимости проектировать стыки разъемными, то для мобильных зданий это требование является обязательным, что практически исключает использование, например, сварных соединений. Для обеспечения мобильности разработчики зачастую вынуждены идти на существенное (по отношению к стационарным зданиям) увеличение расхода металла и других материалов в несущих элементах. Учитывая преимущественно серийное производство мобильных зданий, снижение расхода конструкционных материалов на их изготовление при минимально возможном количестве типоразмеров элементов представляется одной из важнейших задач инженерного конструирования.

К настоящему времени сложились некоторые подходы и принципы конструирования мобильных зданий, применение которых обеспечивает повышение эффективности мобильного домостроения. Прежде всего, это общетехнические и общестроительные принципы:

•концентрация материала;

•обеспечение и учет пространственной работы материала в несущей конструкции;

•обеспечение и учет совместной работы основания и конструкции здания. Разумеется, любой из перечисленных принципов, будучи применен от-

дельно от других, поставленных задач не решает. Необходим комплекс инженерных принципов для создания эффективных конструкций мобильных зданий. Такой комплексный инженерный анализ целесообразно выполнять с применением современных программных средств, которые позволяют создавать расчетные модели, в достаточной мере отражающие всю специфику работы конструкций.

Впроектной и строительной практике широко используют прямоугольную форму объемного блока, что обусловлено прежде всего сложившейся традицией. Большинство работ, направленных на поиск новых пространственных форм, архитекторы выполняли с учетом следующих особенностей [25]: технологичности изготовления, экономичности, удобства транспортировки и монтажа, эстетичности, возможности рациональной расстановки мебели и оборудования, удобства стыковки объемных элементов друг с другом

икрепления к несущим конструкциям. Полагая все эти особенности, безусловно, важнейшими, можно отметить, что форма здания – одно из наиболее выразительных архитектурных средств.

Впрактике строительного проектирования форма несущей конструкции рассматривается и как средство для уменьшения внутренних усилий, создания преимущественно растягивающих или сжимающих напряжений для учета специфики конструкционного материала (арки рационального очертания, фермы с нисходящими или восходящими раскосами и т.д.). В таких случаях выполняется поиск рациональной конструкции для заданной нагрузки.

Кроме того, можно отметить существенное влияние формы здания на величину и характер распределения действующих на него нагрузок. К таким нагрузкам, в первую очередь, следует отнести аэродинамические и снеговые.

37

Специфика применения мобильных зданий, связанная с их транспортировкой и использованием в экстремальных условиях, зачастую диктует необходимость поиска новых пространственных форм. В связи с этим предложена следующая классификация мобильных зданий по формам поверхности, представляющая интерес с точки зрения аэродинамических нагрузок, порождаемых формой здания:

•параллелепипед (с закруглением углов или с обелиском в верхней части, что также можно отнести к этой группе, лишь бы основной объем был близок по форме к параллелепипеду);

•сложные многогранники, имеющие в плане форму многоугольника с числом вершин более четырех;

•тела вращения, составляющие особую и достаточную большую группу;

•тела неправильной формы и цилиндрические с некоторым основанием. Наиболее эффективно можно регулировать уровень и характер распре-

деления нагрузок, проектируя поверхность мобильных зданий в виде тел из последних двух групп. Безусловно, при этом должны быть в достаточной степени учтены и все основные архитектурные требования.

Мобильные здания традиционной формы не позволяют вертолету развивать скорость более 80 км/ч. При этом резко (почти в 2 раза) возрастает расход горючего, что существенно ограничивает возможности современных вертолетов по оперативной доставке зданий в труднодоступные районы.

Плохо обтекаемые традиционные формы зданий не только вызывают значительные аэродинамические силы уже на малых скоростях, не позволяя вертолету двигаться в наиболее экономичном режиме, но и приводят к возникновению заметных нагрузок на само здание (сосредоточенных, передаваемых с элементов подвески; распределенных в виде аэродинамического давления на поверхность). Для снижения аэродинамических сил, действующих на здание в процессе его транспортировки, целесообразно проектировать его в форме обтекаемого тела. Однако при этом следует учитывать то, что на внешней подвеске даже хорошо обтекаемое тело займет наиболее невыгодное положение по отношению к направлению набегающего потока. В связи с этим, помимо выбора хорошо обтекаемой формы, необходимо обеспечивать стабилизацию груза в заданном положении. Стабилизаторы, прикрепленные к зданию, вызывают дополнительные силы сопротивления, увеличивая усилия в подвеске, и, следовательно, нагрузку на здание. Для оценки нагрузок, возникающих при транспортировке зданий по воздуху, как правило, недостаточно сведений, предоставляемых нормами.

Вопросы для самостоятельного изучения:

1)конструктивная схема мобильных зданий;

2)форма поверхности мобильного здания как средство повышения его эффективности [25];

3)комплексное применение инженерных принципов для разработки мобильных зданий [26].

38