Металлические конструкції

Металлические конструкции

Реферат виконав Сабирзянов І.І. грн. 08−202.

Казанская Державна Архитектурно-Строительная Академия.

2003 г.

Общие сведения.

С розвитком металургійної промисловості зростає об'єм і номенклатура металевих виробів на будівництві та особливо асортимент з алюмінію. З сталевого прокату будують каркаси промислових і громадянських будинків, мости, виготовляють арматуру для залізобетону, кровельную сталь, труби, і навіть різні металеві вироби, клепки, болти, цвяхи, шурупи. Різний профіль алюмінію використовують із виготовлення несучих і огороджуючих конструкцій, ф Широкому використанню металів у будівництві сприяє ряд їх цінних технічних властивостей: висока міцність, пластичність, підвищена теплопровідність, електропровідність і свариваемость. Поруч із метали, і особливо сталь і чавун, при дії різних газів і вологи сильно кородують і вимагають спеціальної защиты.

Вопросы економії металу у галузі збірного залізобетону поруч із проблемою зниження трудомісткості виготовлення виробів арматури мають великий значение.

К перевитрати металу у будівництві ведуть такі причини: заміна арматури проектних діаметрів і класів, і навіть профілів прокату, наявними у наявності; технологічні втрати, зумовлені особливостями виробництва (відходи кінців напрягаемых стрижнів, що використовуються установки захоплень, відходів пасом на довгому стенді, у тих ділянках між формами тощо. буд.); відходи при заготівлі арматури і виробів із нього і раскрое прокату; прокат арматури з позитивними допусками: шлюб; руйнація конструкцій при контрольних испытаниях.

Причинами перевитрати стали є нераціональний розплющ металопрокату за кресленнями, заміна проектних профілів і аркушів на що є великих перетинів і толщин, застосування стали підвищеної і високої міцності без відповідного перерахунку конструкцій, вади на організації поставки металопрокату металургійними заводами.

Сложившийся питомий вагу у будівничій індустрії під час виробництва залізобетону і щодо будівельних конструкцій становить (%): завищення номінального діаметра арматурной стали— 62,4; плюсові допуски прокату— 12,0; немерные довжини свариваемых марок стали — 25,6.

Значительная частка металевих виробів, які у будівництві, посідає сталеву арматуру.

Потери металу під час виробництва арматурних робіт обумовлені передусім рівнем технологічного устаткування й оснастки, особливостями технологии.

Основные причини втрат арматурной стали (питому вагу загалом витратах, %): відходи напрягаемой арматури — 7,5; відходи при р. аскрое стрижнів в краянні бухт — 2,6; відступу від проекту— 1,0; випуск бракованою продукції — 0,5.

Разработка і впровадження ліній для безвідходної зварювання і різання арматурних стрижнів всіх класів,.

Для запобігання від корозії до застосування арматура повинна бути захищеною від атмосферних осадів та інших джерел зволоження. Высокопрочную арматуру слід зберігати в сухих закритих складських помешканнях із відносної вологістю повітря не вище 60%. Не допускається зберігання такий арматури на земляному підлозі, агресивних чи забруднених агресивними речовинами подкладках, і навіть поблизу місцезнаходження чи виділення агресивних речовин (солі, гази, аерозолі). Допускається зберігання без обмеження відносної вологості повітря високоміцною арматури у атмосфері, насиченою парами летючих інгібіторів, яка може бути створена під герметизированными ковпаками, у тимчасових сховищах, захищених від атмосферних осадков.

Допустимым коррозионным поразкою арматури вважається таке, у якому наліт іржі може бути видалений протиркой. сухий ганчірочками. За невиконання зазначеного умови высокопрочную арматуру піддають спеціальної перевірці на схильність до тендітному коррозионному разрушению.

При використанні арматури з цинковою алюмінієвим покриттям заборонена її правка з допомогою верстатів, викликають механічне руйнація покриття, а при контактному зварюванню режим може бути підібрали з умови найменшого ушкодження покриття. Дуговая зварювання зазначеної арматури не допускается.

Для захисту арматури, яка у комірчаних і силікатних бетонах автоклавного тверднення, використовують захисні покриття (обмазки) як холодної цементно-битумной мастики, гарячої ингибированной битумно-цементной чи латексно-минеральной і інших напрямів обмазок.

Толщина висушеного захисного покриття на арматурі мусить бути 0,3…0,4 мм при використанні холодної цементно-битумной мастики і проінвестували щонайменше 0,5 мм при використанні цементно-полистирольной. При заподіянні покриттів в електричному полі товщина їх може бути зменшена відповідно до 0,2…0,3 мм 0,4 мм.

Защита арматури від корозії, т. е. її тривала схоронність у процесі експлуатації залізобетонній конструкції, значною мірою залежить від технології її виготовлення, окрім тих випадків, коли використовуються спеціальні захисні покриття, заподіяні на поверхню арматуры.

Общая характеристика та організаційні засади проектування металевих конструкций.

2.1 Номенклатура сталевих конструкций

Стальные конструкції використав різних інженерні споруди, які у залежність від конструктивної форми та призначення можна розділити ми такі виды.

1. Одноповерхові виробничі будинку. Такі будинку може бути однопролетными і многопролетными, зокрема з прольотами різною висоти, з умонтованими робітниками майданчиками і багатоповерховими вставками. Розміри у сенсі їхнього дуже різні: і від кількох десятків метрів до 1 км і більше. Виробничі будинку зазвичай обладнують умонтованими транспортними коштами вигляді конвеєрів, підвісних чи мостових опорних кранів. У бескрановых будинках використовують напольный транспорт (електрокари, навантажувачі і пр.).

До недавнього часу сталевої каркас дозволялося запровадити у виробничих будинках при прольотах 24 метрів і більш, висоті 18 метрів і при вантажопідйомності кранів понад 50 відсотків т. Сьогодні ці обмеження знято й сталеві конструкції знаходять широке застосування створення ремонтних майстерень, укриттів для сільгосптехніки, навісів, складських приміщень та інших будівель при прольотах 12 … 18 м. Отримали поширення здания-модули повної заводський готовності з урахуванням аркових конструкцій, склепінь з объемно-формованного тонкого аркуша, структурних конструкцій (просторових ґратчастих систем).

Наряду зі сталевими застосовують змішані каркаси, у яких по залізобетонним колонах встановлюють сталеві конструкції покриття і підкранові пути.

2. Малоэтажные будинку. Перш такі споруди будували з цегли, залізобетону, дерева та інших традиційних будівельних матеріалів. Нині у подібних будинках використовують також сталь і алюмінієві сплави, у тому числі роблять каркас, обшивку утеплених стін, віконні халепи, двері, вбудовані шафи, решетування перегородок. Освоєно виготовлення суцільнометалевих будинків комплектної поставки «під ключ » .

3. Висотні будинку. Багатоповерхові будинку (20 … 30 поверхів, і вище) використовують головним чином у цивільному будівництві, за умов щільною забудови великих міст. Їх зазвичай проектують із його чіткою поділом конструкцій на які мають і ограждающие. Функції несучих конструкцій виконує сталевої каркас, а огороджуючих — легкі стеновые панелі із ефективних теплоізоляційних матеріалів, зокрема панелі з обшивками зі сталі чи алюмінієвих сплавов.

4. Большепролетные будинку. Великі прольоти (50 … 150 метрів і більш) мають спортивні споруди, криті ринки, виставкові павільйони і пояснюються деякі виробничі будинку (ангари, авиасборочные цехи ін.). Для перекриття таких прольотів, як правило, використовують сталеві конструкції. Системи і конструктивні форми великопрольотних покриттів дуже різноманітні. Тут балочні, рамні, аркові, купольные, висячі і комбіновані системи, причому плоскі, так і пространственные.

Основной навантаженням в великопрольотних будинках є власний вагу, зниження якого раціонально застосовувати полегшені ограждающие конструкції, стали підвищеної і високої міцності, різні способи регулювання зусиль, .у цьому числі попереднє напряжение.

5. Мости, естакади. Пролітні будівлі мостів на залізничних і автомобільних дорогах виконують з металу на великих (до 1 км і більше), і навіть середніх (30…60 м) прольотах. У разі сталевим мостам віддають перевагу при стиснутих термінах спорудження і за будівництві на стратегічних дорогах, враховуючи можливість їх швидкого восстановления.

Мосты і естакади мають різноманітні системи: балочні, аркові, висячі. У балкових системах часто застосовують сталежеле-зобетонные балки, об'єднуючи сталеві головні балки пролетного будівлі з залізобетонній плитою проїзній частині для спільної роботи з изгиб.

6. Вежі й щогли. Велику групу подібних конструкцій становлять антенні устрою для телебачення, радіомовлення і багатоканальної телефонному зв’язку. При передачі середніх хвиль щогла заввишки 200 … 500 м може виконувати функції випромінювача. У деяких випадках вежі та щогли служать розміщувати на певної висоті дротяною сіті або спеціальних антенних устройств.

Опоры повітряних ліній електропередач служать передачі електроенергії дротами, прикріпленим до опорам через гірлянди ізоляторів. Для захисту від блискавки над проводами розміщують грозозащитные троси. Висока напруга електричного струму, переданого дротами, вимагає значного видалення дротів друг від одного й від Землі, тому висота опор становить 20 … 40 м, а під час переходу лінії через перешкоди може становити 150 метрів і более.

Вытяжные вежі служать підтримки газоотводящих стовбурів димових і вентиляційних труб. Висота вежі, обумовлена екологічними вимогами, зазвичай становить 80 … 150 м, хоча є вежі заввишки 600 м.

Башни морських стаціонарних платформ у видобуток нафти і є встановлюють на континентальному шельфі морів, і океанів. Прикріплена з допомогою паль морського дну вежа підтримує штучний острівець, у якому розміщені бурова вишка, майстерні, вертолітна майданчик, житлові приміщення тощо. Це, зазвичай, унікальні споруди, які становлять глибин 200 … 300 метрів і більше за ширині підстави порядку 70 м. Ґратчасту конструкцію такий вежі виконують і діаметром 2 … 4 м при товщині стінок 60 … 90 мм.

К баштовим конструкціям відносять також геодезичні вишки, промислові етажерки, надшахтные копри, бурові вишки і др.

7. Листові конструкції є тонкостінні платівки і оболонки різної формы.

Резервуары служать для зберігання нафтопродуктів, води, скраплених газів, кислот, спиртів і інших рідин. Застосовують резервуари різної форми і середніх розмірів з обсягом, сягаючим 200 тис. м3. У тому числі вертикальні циліндричні, горизонтальні циліндричні і сферичні резервуари, резервуари з понтоном, з плаваючою дахом і з другие.

Газгольдеры призначені для зберігання, змішування і вирівнювання складу газів. Їх беруть у газову мережу між джерелами отримання газу та його споживачами ролі своєрідних акумуляторів. Застосовують газгольдеры постійного обсягу, у яких газ зберігають за вищого тиску, і газгольдеры змінного обсягу з зберіганням газу за низького постійному тиску. Переменность обсягу забезпечують рухливими ланками чи шайбою, яка, подібно поршневі в циліндрі, переміщається по стінці газгольдера. Місткість газгольдерів змінного обсягу сягає 600 тис. м3.

Бункера і силосы представляють ємності, призначені для збереження і перевантаження сипучих матеріалів. Силосы від бункерів порівняно великим ставленням висоти до величини у плані. Групи бункерів зазвичай об'єднують в бункерні естакади. Застосовують бункера з пласкими стінками і гнучкі (висячие).

К листовим конструкціям відносять також трубопроводи великого діаметра, деякі споруди нафтопереробки, доменного та хімічного производств.

8. Інші види конструкцій. Це сталеві конструкції мостових, баштових, козлових кранів, кранов-перегружателей, відвальних мостів, великих екскаваторів, будівельних і дорожніх машин, затворів і воріт шлюзів гідротехнічних споруд, радіотелескопів, антен космічного зв’язку і др.

2.2 Переваги й недоліки сталевих конструкций

Основными достоїнствами сталевих конструкцій проти конструкціями з деяких інших матеріалів є надійність, легкість, непроникність, индустриальность, а також простота технічного переоснащення, ремонту й реконструкции.

Надежность сталевих конструкцій забезпечується близьким відповідністю характеристик стали нашим уявленням про ідеальне пружному чи упругопластическом изотропном матеріалі, котрій суворо сформульованими обгрунтовані основні тези опору матеріалів, теорії пружності та будівельної механіки. Сталь має однорідну мелкозернистую структуру з властивостями за всі напрямам, напруги пов’язані з деформаціями лінійної залежністю у великому діапазоні, а попри деякий значенні напруг може бути ідеальна пластичність як майданчики плинності. Усе це відповідає гіпотезам і допущенням, узятим в основі розробки теоретичних передумов розрахунку, тому розрахунок, побудований на таких передумови, повною мірою відповідає дійсною роботі сталевих конструкций.

Легкость. З всіх виготовлених нині несучих конструкцій металеві є найбільш легкими. За показник легкості приймають ставлення щільності матеріалу для її міцності. Найкоротший значення цей показник має для алюмінієвих сплавів і як для сплаву Д16-Т 1,1−10−4 м-1. Прийнявши його з одиницю, запишемо порівняльні дані й інших матеріалів: сталь — 1,5 … 3,4, дерево — 4,9, бетон середнього класу міцності - 16,8.

Сравнив дві однакові конструкції, одній із яких виконана з алюмінієвого сплаву, а інша — із залізобетону, ви можете дійти хибному висновку, що з інших рівних умов залізобетонна конструкція приблизно в 16 раз важче. Насправді тут інше і залізобетонна конструкція, особливо в великих прольотах, може бути важчій. Річ у тім, що конструкція несе хіба що дві навантаження: корисну, на яку вона запроектована, і неминучий власний вагу. Наприклад, несуча здатність залізобетонній плити покриття типу ПНЗ розміром 3×6 м дорівнює 4…4,5 кН/м2, їх 1,3…1,5 кН/м2 (тобто. 30%) посідає власний вагу плити. Сталева панель такої ж розміру, виготовлена з профільованого настилу і швелерів, за тієї ж несучою здібності матиме частку власної ваги 0,45…0,50 кг/м2, що становить близько 20% загальної нагрузки.

Непроницаемость. Метали мають як великий міцністю, а й високої щільністю — непроникністю для газів і рідин. Щільність сталі та її сполук, які з допомогою зварювання, є необхідною передумовою виготовлення резервуарів, газгольдерів, трубопроводів, різних судин і аппаратов.

Индустриальность. Сталеві конструкції виготовляють на заводах, оснащених спеціальним устаткуванням, а монтаж виробляють із використанням високопродуктивної техніки. Усе це виключає чи до мінімуму скорочує важкий ручний труд.

Ремонтопригодность. Що стосується сталевим конструкціям найбільш просто вирішуються питання посилення, технічного переоснащення та реконструкції. З допомогою зварювання ви можете легко прикріпити до елементам існуючого каркаса нове технологічне устаткування, за необхідності посиливши ці елементи, що також робиться досить просто.

Сохраняемостъ металевого фонду. Сталеві конструкції внаслідок фізичного і моральної зношеності вилучаються з експлуатації ЧАЕС, переплавляються і знову використовують у народному хозяйстве.

Недостатками сталевих конструкцій є їхньою схильність корозії та порівняно мала огнестойкость. Сталь, не захищена від контакту з вологою, разом із агресивними газами, солями, пилом піддається корозії. При високих температур (для стали — 600 °C, для алюмінієвих сплавів — 300°С) металоконструкції втрачають свою несе способность.

При грамотному проектуванні та відповідної експлуатації ці недоліки уявити не можуть небезпеку виконання конструкцією своїх можливостей, але призводять до підвищенню початкових і експлуатаційних затрат.

Повышения коррозионной стійкості сталевих конструкцій досягають включенням до сталь спеціальних легуючих добавок, періодичним покриттям конструкцій захисним шаром як лаків чи фарб, і навіть вибором раціональної конструктивної форми (без «щілин і пазух, де можуть нагромаджуватися волога і пыль).

Повышение вогнестійкості сталевих конструкцій будинків, небезпечних в пожежному відношенні (житлові та будівлі, склади з пальними чи легкозаймистими матеріалами) здійснюють через усунення безпосереднього контакту конструкцій з відкритою вогнем. І тому передбачають підвісні стелі, вогнестійкі обличкування, обмазки спеціальними складами. Використовуючи спеціальні покриття як обмазок, можна істотно збільшити межу огнестойкости.

2.3 Вимоги, які пред’являються металевим конструкциям

При проектуванні металевих конструкцій повинні враховуватися такі основні вимоги.

Условия експлуатації. Задоволення заданим під час проектування умовам експлуатації є основним вимогою для проектувальника. В основному визначає систему, конструктивну форму спорудження та вибір матеріалу йому.

Экономия металу. Вимога економії металу визначається великий його потребою у всіх галузях промисловості (машинобудування, транспорт тощо. буд.) і щодо високої вартістю.

В будівельних конструкціях метал треба використовувати лише тому випадку, коли заміна його на інші види матеріалів (насамперед залізобетоном) не раціональна.

Транспортабельность. У зв’язку з виготовленням металевих конструкцій, зазвичай, на заводах з наступної перевезенням цього разу місце будівництва у проекті мусить бути передбачена можливість перевезення їх повністю плі частинами (отправочными елементами) із застосуванням відповідних транспортних засобів.

Технологичность. Конструкції повинні проектуватися з огляду на вимоги технології виготовлення я монтажу орієнтації найбільш сучасні і продуктивні технологічні прийоми, щоб забезпечити максимальне зниження трудомісткості.

Скоростной монтаж. Конструкція має відповідати можливостям складання їх у найменші терміни з урахуванням наявного монтажного устаткування.

Долговечность конструкції визначається термінами її фізичного й моральної зносу. Фізичний знос металевих конструкцій пов’язаний переважно з процесами корозії. Моральний знос пов’язана із зміною умов експлуатації.

Эстетичность. Конструкції незалежно від своїх призначення повинні мати гармонійними формами. Особливо істотно ця потреба для громадських будинків та споруд.

Все ці вимоги задовольняються конструкторами з урахуванням вироблених наукою і практикою принципів радянської школи проектування й основних напрямі її розвитку.

Основным принципом радянської школи проектування є досягнення трьох головних показників: економії стали, підвищення продуктивність праці при виготовленні, зниження трудомісткості і термінів монтажу, які визначають вартість конструкції. Попри те що що це показники часто при реалізації вступають у протиріччя (так, наприклад, найбільш ощадлива по витраті стали конструкція це часто буває найбільш трудомісткою їх виготовляти і монтажі), радянський досвід розвитку металевих конструкцій підтверджує можливість цього принципу.

Экономия металу у металевих конструкціях досягається з урахуванням реалізації наступних основних напрямів: застосування в будівельних конструкціях низьколегованих і високоміцних сталей, використання найбільш економічних прокатних і гнутих профілів, пошуки й запровадження у будівництво сучасних ефективних конструктивних форм і систем (просторових, попередньо напружених, висячих, трубчастих тощо.), вдосконалення методів розрахунку пошуки оптимальних конструктивних рішень з допомогою електронно-обчислювальної техніки.

Эффективно і комплексно виробничі вимоги задовольняються з урахуванням типізації конструктивних елементів і аж споруд.

Типизация металевих конструкцій у Росії отримала дуже широка розвиток. Розроблено типові рішення часто повторюваних конструктивних элементов-колонн, ферм подкрановых балок, віконних і ліхтарних томів. У цих типових рішеннях уніфіковані розміри елементів і поєднанні. Для деяких елементів розроблено стандарти.

Разработаны типові вирішення цих споруд, як радіощогли, вежі, опори ліній електропередачі, резервуари, газгольдеры, пролітні будівлі мостів, деякі види промислових будинків, споруд й т. п.

Типовые рішення розроблено з урахуванням застосування оптимальних з погляду витрати матеріалу, розмірів елементів, оптимальної технології їх виготовлення ц можливостей транспортування.

Типизация і проведена її основі уніфікація і стандартизація забезпечують велику повторюваність, серійність виготовлення конструктивних елементів та його деталей на заводах і, отже, сприяють поліпшенню продуктивність праці, скорочення термінів виготовлення основі ефективне використання більш досконалого устаткування й спеціальних технологічних пристосувань (кондукторів, копірів, кантователей тощо.). Типізація, уніфікація і стандартизація створюють сприятливі умови і розробити і впровадження особливо ефективного поточного методу виготовлення й монтажу металевих конструкцій.

Типовые проекти забезпечують економію металу, упорядковують проектування, підвищують його якість і скорочують терміни будівництва.

Ведущим принципом швидкісного монтажу є складання конструкцій в великі блоки на землі з наступним підйомом в проектне ситуація з мінімальним кількістю монтажних робіт нагорі. Типізація створює передумови для і скоротити терміни монтажу, зниження його трудомісткості, оскільки повторювані види конструкцій та його поєднанні дозволяють краще використовувати монтажне обладнання та удосконалювати процес монтажу.

Конструкции з металла

3.1 Балки і балочні конструкції

Одним з найпоширеніших елементів сталевих конструкцій є балка чи елемент, працюючий на вигин.

Область застосування балок у будівництві надзвичайно широка: від невеликих елементів робочих майданчиків, междуэтажных перекриттів виробничих чи цивільних будинків до великопрольотних балок покриттів, мостів, важко навантажених подкрановых балок й дуже званих «хребтовых «балок для підвіски казанів у сучасних теплових електростанціях. Прольоти мостових балок досягають 150…200 м, а навантаження одну хребтовую балку котельного відділення ГРЕС при суцільному прольоті до 45 м становить ~ 60 -103 кН.

3.1.1 Класифікація балок

По статичної схемою розрізняють однопролетные (розрізні), многопролетные (неразрезные) і консольні балки. Розрізні балки простіше неразрезных у виготовленні і монтажі, нечуттєві до різним опадам опор, але поступаються останнім по витраті металу на 10…12%. Неразрезные балки розумно застосовувати при надійних підставах, коли немає небезпеки перевантаження балок внаслідок різкій різниці в осаді опор. Консольні балки може бути як розрізними, і многопролетными. Консолі розвантажують пролітні перерізу балок і тим самим підвищують економічні показате останніх.

По типу перерізу балки може бути прокатными або складовими: зварними, клепаными чи болтовыми. У її зведенні найчастіше застосовують балки двутаврового перерізу. Вони зручні в компонуванні, технологічні і економічні по витраті металу.

Наибольший економічний ефект (за інших рівних умов) можна отримати в тонкостінних балках. Гарним критерієм відносної легкості изгибаемого елемента служить безрозмірне співвідношення? = 3? W2 / A3, де W — момент опору, А — площа перерізу.

Для прямокутного перерізу із шириною b і заввишки h, якщо взяти для визначеності ставлення h/b рівним 2…6, цей показник становить 0,38…0,55, а вітчизняних прокатних двутавров — 1,25…1,45, тобто. в прийнятих умовах двутавр в 3…4 разу вигідніше простого прямокутного перерізу. Крім двутавра застосовують інші форми перетинів. Так, при вплив на балку значних крутящих моментів краще застосування замкнутих, розвинених в бічний площині перетинів, приклади яких показані.

Экономическая ефективність перетинів, в такий спосіб, міцно пов’язана зі своїми тонкостенностью. Гранично можлива тонкостенность прокатних балок визначається як вимогами місцевої стійкості стінок, а й можливостями заводський технології прокатки профілів. Місцева стійкість стінок складових перетинів може бути підвищено конструктивними заходами (постановкою ребер жорсткості, гофрированием стінок тощо.).

3.1.2 Прокатні балки

Прокатные балки застосовують для перекриття невеликих просторів конструктивними елементами обмеженою несучою здібності, що пов’язані з наявної номенклатурою випущених прокатних профілів. Їх використав балкових клітинах; для перекриття індивідуальних підвалів, гаражів, складських приміщень; як прогонів покриттів виробничих будинків; в конструкціях естакад, віадуків, мостів і багатьох інших інженерні споруди.

В порівнянні з складовими прокатні балки більш металлоемки з допомогою збільшеною товщини стінки, але менш трудомісткі у виготовленні і більше надійні в експлуатації. За винятком опорних зон і зон докладання значних зосереджених сил, стінки прокатних балок непотрібен зміцнювати ребрами жорсткості. Відсутність зварних швів в західних областях контакту полиць зі стінкою істотно зменшує концентрацію напруг знижує рівень початковій дефектності.

3.1.3 Складові балки

В тому випадку, коли потрібні конструкції, жорсткість і несуча спроможність яких перевищує можливості прокатних профілів, використовують складові балки. Вони може бути зварними і клепаными, але останні застосовують виключно рідко. Найбільше застосування отримали балки двутаврового симетричного, рідше несиметричного перетинів. Такі балки складаються із трьох елементів — верхнього й нижнього поясів, об'єднаних тонкої стінкою. Перспективними є перерізу як двутврв, в ролі полиць якого використовують прокатні таври і холодногнутые профілі.

3.1.4 Дистальные балки

Снижение металоємності можна досягнути з допомогою використання їх у однієї конструкції двох різних марок сталей. Балки, виконані з цих двох марок сталей, називають бистальными. Вони доцільно найбільш напружені ділянки поясів виконувати зі сталі підвищеної міцності з Ry = Ry1 (низколегированные стали), а стінку і малонапряженные ділянки поясів — з маловуглецевої сталі з Ry = Ry2.

В розрахунковому сечении такий балки під час досягнення в фібрових волокнах поясів? = Ry1 в пов’язаної з поясам зоні стінки напруги досягнуть краю плинності ?w (y>|a|) = Ry1. Центральна частина стінки і крупні пояси перебувають у пружною стадії, периферійні зони стінки — в пластичної (умови обмеженою пластичності).

Авторы норм рекомендують під час розрахунків міцності таких балок керуватися однією з двох критеріїв.

— Граничних пластичних деформацій: пластичні деформації допускаються у стінці, а й у поясах; вводиться обмеження на величину інтенсивності пластичних деформацій у судинній стінці ?ip, w? >?ip, lim.

— Граничних напруг у поясах балки: пластичні деформації допускаються лише стінці; робота поясів обмежена пружною стадією ??? > Ry1.

В залежності від норми граничною інтенсивності пластичних деформацій і розрахункового критерію, бистальные балки класифікують щодо чотирьох групам.

1. Підкранові балки під крани з режимом роботи 1К-5К (ГОСТ 25 546−82), котрим розрахунки на міцність виконують критерієм граничних напрузі в поясі при розрахунковому опір стали поясів R? = Ru / ?u < Ry, тут? u = 1,3.

2. Балки, сприймають рухливі й вібраційні навантаження (балки робочих майданчиків, бункерних і розвантажувальних естакад. транспортерних галерей та інших.), — ?ip, lim = 0.1%.

3. Балки, працівники статичні навантаження (балки перекриттів та покрить; ригели рам, фахверка та інші изгибаемые, растянуто-изгибаемые і сжато-изгибаемые балочні елементи), — ?ip, lim = 0,2%.

4. Балки групи 3, але з підвладні локальним впливам, які мають поздовжніх ребер жорсткості, які мають підвищеної спільної програми та місцевої сталістю, — ?ip, lim = 0,4%.

В групи 2…4 об'єднані балки, котрим розрахунки на міцність виконують критерієм обмежених пластичних деформацій.

3.1.5 Балки замкнутого сечения

Балки замкнутого перерізу мають ряд переваг проти відкритими. До них ставляться:

— вища несуча здатність конструкцій чи його елементів під час роботи на вигин у двох площинах і крутіння. Матеріал в замкнутих перетинах міститься у основному в периферійних зонах стосовно центру тяжкості, це на збільшення моментів інерції та опору щодо осі у (із площини елемента) і моменту інерції на крутіння;

— через істотного збільшення (вдесятеро) моменту інерції на крутіння в елементах із замкненими сечениями, зазвичай, виключається изгибно-крутильная форма втрати стійкості;

— елементи з замкнутими сечениями стійкіші під час монтажу, менше схильні до механічним ушкодженням під час транспортування і монтажу.

Несмотря на названі гідності, конструктивні елементи із замкненими сечениями не знайшли нині широко він. І пояснюється це передусім низькою технологічністю як наслідок, більшої трудомісткістю виготовлення.

Конструктивные решения

Замкнутые, в частковості коробчатые, перерізу застосовують за необхідності збільшення жорсткості балок в поперечному напрямі, за відсутності поперечних зв’язків, вигині у двох площинах наявності крутящих моментів, при обмеженою будівельної висоті та великих поперечних силах. Подібним силовим впливам при названих конструктивних обмеженнях піддаються балочні конструкції мостів, силових елементів промислових споруд, кранів та інших. Можливі форми перерізу балок представлені на.

Наличие двох стінок робить особливо актуальною завдання зменшення їх товщини забезпечивши місцевої стійкості. Конструктивно це досягається або перекрученням стінки, або постановкою різних типів перетинів поміж стінками у вигляді діафрагм, стяжных болтів та інших.

Диафрагмы мають форму платівки, а при сильно розвиненому сечении — форму рамки з прямокутним чи овальним вирізом. У кутках діафрагми мають скоси таку ж, як й у ребрах жорсткості балок відкритого профілю. Для рівномірного розподілу навантаження між елементами перерізу й підвищення просторової жорсткості можливо використовувати раскосную систему розташування діафрагм з відхиленням діафрагм на 30…600 від вертикалі чи горизонталі. Проте слід пам’ятати, що трудомісткість виготовлення діафрагм з нахилом значно вища, ніж вертикальних. Натомість діафрагм підвищення місцевої стійкості стінки можна використовувати зв’язок між стінками як вкладишів зі стяжными болтами. У цьому вся разі з допомогою додаткових перетинів поміж стінками створюється просторова система, обидві стінки якої працюють на спільно, тому при розрахунку з площині балки стінку слід розглядати, як складову конструкцію.

С метою економії стали, як і й у балках відкритого профілю, в балках коробчатого перерізу на великих прольотах слід передбачити зміну перерізу за довжиною балки.

3.1.6 Балки з гнучкою стенкой

Балки з гнучкою (дуже тонкої) стінкою з’явилися вперше у конструкціях каркасів літальних апаратів, де для легкості стінки виконували найчастіше з металу, та якщо з міцної тканини (перкаль, брезент). Пласке стінка у такому балці втрачає стійкість у початковій стадії навантаження, набуваючи другу стійку форму — як похило гофрованої (у опор, де переважає зрушення) або вспорушенной (в зонах з переважати напругами стискування) поверхні. Після зняття навантаження ці деформації стінок, звані часто «хлопунами », зникають. У її зведенні почали застосовувати такі балки у роки поточного століття. Вони є подальшим втіленням ідеї про тісному зв’язку показників економічну ефективність з визначенням тонкостенности. Зменшення відносної товщини стінки ?w = hw / tw в 2…3 разу призводить до зниження витрати металу на стінку на 25…35% і до концентрації металу у поясах, що вигідно в умовах роботи з вигин.

Применение балок з дуже тонкими стінками доречно при стабільному напрямі дії статичних тимчасових навантажень, оскільки робота таких балок при змінних по напрямку рухливих і динамічних навантаженнях ще досить вивчена.

Особенности роботи конструкції балок. У першій стадії роботи балки її гнучка стінка залишається пласкою, як й у звичайній балці. Але з протяжності ця стадія роботи коротка і закінчується втратою стійкості стінки, тобто. переходом в закритическую стадію роботи з приходом «хлопунов » .

В закритической стадії роботи не дотримується лінійна залежність між деформаціями стінки і навантаженням. Розвиваються зони выпучивания стінки із заснуванням розтягнуті складок, натяг яких викликає місцевий вигин поясів балки, і навіть стиснення поперечних ребер жорсткості і вигин опорних ребер у площині стінок. Ця стадія завершується досягненням напругами краю плинності ?y або окремими точках стінки, або у поясах (чи одночасно).

В третьої стадії розвиваються пластичні деформації у судинній стінці й у поясах. Наростає прогин балки; інтенсивність зростання прогину наприкінці цього стадії різко підвищується, і в відсіках балки утворюється пластичний механізм — балка входить у граничне стан із появою надмірних залишкових деформацій. При подальшому, навіть незначному, зростанні навантаження балка втрачає несе здатність або внаслідок втрати місцевої стійкості полки сжато-изогнутого пояса, або через втрати стійкості пояса у площині стінки, як стрижня, від дії стискаючої сили та изгибающего моменту. Не виключена і загальна втрата стійкості пласкою форми вигину балки, якщо остання не раскреплена належно своїх від бічних деформацій. Наголосимо також на, що описані форми втрати стійкості пояса балки можуть відбутися й над кінці третьої стадії, а навіть на попередніх стадіях, якщо розміри елементів пояса обрані невдало.

Учет особливостей роботи балок з гнучкими стінками призвів до необхідність розробки адекватних рекомендацій з їхньої конструктивним рішенням. Можливо застосування балок: з поперечними ребрами, привареними до стінки — двосторонніми і односторонніми, або пов’язані з нею; без поперечних ребер. Безреберные балки потребують суворо центрованого докладання навантаження у площині стінки, бо пояса їх майже не закріплені від закручування.

Более часто застосовують балки з ребрами жорсткості, мають призначення, як і у звичних балках, до місцевих навантажень від другорядних балок й у обмеження довжини відсіку. Діяльність ребер, підкріплюють гнучкі стінки, є держава й свої особливості, зумовлені роботою стінок в закритической стадії.

Пояса в балках з гнучкими стінками працюють як на стиснення, а й у вигин від натягу стінки, тому доцільно застосовувати перерізу поясів із підвищеною жорсткістю на вигин і крутіння. По технологічності кращі перерізу з поясами з смугової сталі та широкополочных таврів; при значних навантаженнях можливо застосування поясів з прокатних чи гнутих швелерів або з широкополочных двутавров. Перерізу балок з підвищеним обсягом зварювання поступаються іншим по трудомісткості виготовлення.

По статичної схемою балки з гнучкою стінкою може бути розрізними і неразрезными, а, по обрису — постійної чи перемінної висоти (двускатные або односкатные). Застосовують такі балки як прогонів, стропильных і подстропильных конструкцій прольотом 12…36 м з співвідношенням постійних і тимчасових навантажень 1/1,5…½, балок жорсткості комбінованих балочно-вантовых систем, балок-стенок бункерів, стінок великогабаритних вентиляційних коробів, газоводов тощо. п.

3.1.7 Балки з гофрованої стенкой

Одним із шляхів зниження металоємності балок є гофрирування їх стінок. У звичайних балках товщина стінок, зазвичай, визначається не умовою міцності, а вимогами місцевої стійкості. Постанова поперечних ребер пом’якшує ситуацію, дозволяючи зменшити товщину стінок і водночас підвищуючи крутильную жорсткість балок, так як ребра грають роль діафрагм і забезпечують незмінюваність контуру поперечного перерізу. Ще у середині 3-го десятиліття XX в. виникла думка гофрирования стінок балок, яке ще більше ефективно забезпечить бажані результати. Гнучкість таких стінок можна підвищити до 300…600, при цьому що тонша стінка, тим провести її гофрирування.

Толщину гофрованих стінок беруть у межах 2…8 мм, що забезпечує їм усе переваги, зумовлені тонкостенностью. У виготовленні стінок з’являється додаткова технологічна операція — гофрирування — і кілька ускладнюється зварювання поясних швів, але зменшення товщини стінки й неможливість значного числа ребер жорсткості викликають кінцевому підсумку до їх зниження трудовитрат на виготовлення балок на 15…25%. По трудомісткості виготовлення й витраті металу балки з гофрованої стінкою виграють, і у балок з гнучкою стінкою завдяки різкого зниження числа ребер жорсткості, підвищеної крутильной жорсткості балок і високої місцевої стійкості стінки.

При виборі конструктивного рішення балки з гофрованої стінкою доводиться враховувати не лише особливості напружено-деформованого стану балки під навантаженням, а й вимоги технологічності. Найбільш прості та технологічні у виготовленні стінки з трикутними гофрами, але стінки з хвилястими гофрами стійкіші. Практикується й застосування їх смуг з готового профнастила .

Изготовление балок з гофрованої стінкою доцільно вестися заводах металоконструкцій, організовуючи там спеціальні ділянки з пресами чи інші установками для гофрирования і стендами для зварювання поясних швів. Зварювальні автомати повинні прагнути бути пристосовані для пересування ламаним і хвилястим лініях примикання гофрованої стінки до поясу. Плоський лист подається між двома валками, обертовими назустріч одна одній. На поверхні валків передбачені устрою закріплення знімних пластин, здійснюють перегини плоского аркуша при повороті валків. Використання знімних пластин різних розмірів дає можливість варіювати параметри гофров. До сформування криволинейных гофров потрібні складніші знімні елементи. Хвилясті гофры можна одержати й пресуванням пластин між двома матрицями, але для варіювання параметрів гофров у разі потрібно досить великий набір матриць.

Особенности праці та конструкції балок. Вже перші випробування балок з гофрованими стінками виявили особливості напруженого стану стінок і поясів: нормальні напруги розвиваються в стінках тільки в пасків і швидко падають практично до нуля, оскільки жорсткість тонкої стінки впоперек гофров дуже мала; касательные ж напруги розподіляються за висотою стінки майже рівномірно. Жорстко пов’язані з поясом гофры передають нею зусилля, викликаючи в поясі перемінний по величині й спрямуванню вигин у його площині.

Балки з гофрованої стінкою довше працюють у пружною стадії, ніж балки з гнучкою стінкою тієї ж товщини, до втрати стійкості стінки як ортотропной платівки. Пояси балок з гофрованої стінкою також у кращих умовах, оскільки вони відчувають вигину у площині стінки. Деформативність балок з гофрованої стінкою на 15…20% нижче, ніж в балок з гнучкою стінкою з тими самими параметрами.

Предельное стан балки з гофрованої стінкою, зазвичай, настає із утратою місцевої стійкості стінки під впливом місцевих зосереджених сил, а то й встановлено ребра жорсткості під ними. У стінках з трикутними гофрами, які працюють на зрушення, спочатку втрачає стійкість пласка смужка гофру, потім втрата стійкості поширюється сталася на кілька гофров, що можна вважати втратою стійкості стінки як ортотропной платівки. Після цього пояс втрачає стійкість у площині стінки як і. як й у балці з гнучкою стінкою. У балках з досить жорсткими гофрованими стінками граничне стан може наступити через розвиток надмірних залишкових деформацій (друга граничних станів). Властивості гофру визначаються завтовшки стінки і геометричними параметрами гофрирования — довжиною хвиль чи заввишки хвилі ?. У розрахункової практиці частіше використовують відносні параметри a/hw, ?/a і ?/tw. Місцева стійкість гофрованих стінок балок може бути підвищено, якщо замість вертикального гофрирования застосувати похиле з спадними гофрами. Оптимальний кут нахилу гофров горішнього поясу дорівнює 45…50°. Проте виготовлення таких стінок ускладнюється як і слідство, балки з похило гофрованими стінками широко він не знайшли. Але треба пам’ятати, що гофры може бути як відкритими (коли перетин гофру входить у край аркуша), а й глухими, тобто. выштампованными в стінці, не що виходять на край аркуша. Не виключена можливість гофрирования тонких стінок в готовому виробі, отже, можливо застосування глухих похилих гофров.

Балки з гофрованими стінками проектують зазвичай двутаврового перерізу з поясами з аркушів, до чого тут непотрібен підвищена жорсткість поясів на вигин і крутіння (на відміну балок з гнучкою стінкою); перетин поясів то, можливо досить розвиненим по ширині і змінним за довжиною відповідно до обрисом эпюры изгибающих моментів, що забезпечує додаткову економію металу.

Область застосування балок з гофрованої стінкою ширше, ніж балок з гнучкою стінкою: вони застосовні в подкрановых конструкціях і всіх інших випадках, коли потрібно підвищена жорсткість балок на крутіння.

3.1.8 Балки з перфорованого стенкой

Стремление збільшити ефективність використання металу у роботі изгибаемых елементів привела інженерів ще перших десятиліттях XX в. до оригінальної ідеї, що дозволяє розширити діапазон використання прокату. Стєнка прокатного двутавра (швелера) розрізається по зиґзаґоподібної ламаної лінії з регулярним кроком з допомогою газової різання чи потужних пресах, і далі обидві половини розрізаної балки з'єднуються зварюванням в об'єднаних між собою виступах стінки. Кінцевий результат призводить до збільшення висоти балки і дозволяє перерозподілити матеріал перерізу, концентруючи його ближчі один до периферійним волокнам (полкам) й суттєво підвищуючи такі геометричні характеристики перерізу, як момент інерції і момент опору. Утворюється своєрідна конструктивна форма — балка з вікнами у судинній стінці.

Изменение висоти вихідного перерізу у півтора рази підвищує приблизно у стільки ж його момент опору і майже вдвічі більшемомент інерції. Малоиспользуемая частина перерізу стінки у центральній зоні хіба що вилучається (35…40% матеріалу стінки), що з більшості балок технічно нескладне якусь небезпеку. Витрата металу у таких балках на 20…30% менше, ніж у звичайних прокатних балках, при одночасному зниженні вартості на 10…18%. Додаткові витрати на разрезку і зварювання вихідного прокату невеликі: порівняно зі зварними складовими двутаврами по трудомісткості виготовлення перфоровані балки на 25…35% ефективніше з допомогою скорочення обсягу зварювання і меншою трудомісткості операцій обробки.

Особенности праці та конструкції балок. Отвори у судинній стінці змінюють картину напруженого стану в перетинах балки. Якщо розподіл нормальних напруг у поясах балки посередині отвори близько до лінійному, то кутових зонах у отворів эпюры нормальних напруг криволинейны, що викликано концентрацією напруг. Деяка криволинейность эпюры нормальних напруг? x простежується й у зоні перемички стінки (простінка). У стыковом сечении (4−4) простінка з’являються нормальні напруги? y. Усе це свідчить концентрацію напруг близько отворів. У багатьох випадків резерви пластичності матеріалу вистачає здобуття права згладити вплив концентраторів напруг, і несе здатність балки останні не надають помітного впливу. Проте слід пам’ятати, що з циклічних чи ударних впливах, особливо за умов низьких температур, коли пластичних деформацій сковано, у кутках отворів можуть з’явитися тріщини. У роботі поясних таврів не більше отвори є свої особливості - вони перебувають під впливом поперечних сил, створюють додатковий вигин. Граничне стан пояса характеризується значним розвитком пластичних деформацій, пронизуючих у кута отвори майже всі перетин поясного тавра. Простінок балки працює головним чином зрушення, та її несуча здатність, зазвичай, визначається сталістю. У граничному стані може втратити стійкість і стінка однієї з поясних таврів, оскільки він виявляється вузьке чи сжато-изогнутой.

Конструктивные рішення балок з перфорованого стінкою відрізняються більшою розмаїтістю, визначальним варіабельністю схем розрізання стінки.

Наметив осьову лінію розрізання похило до полкам після розрізання і розвороту одній з половинок балки щодо неї центральної вертикальної осі, одержують у результаті сполуки обох половинок балку з похилим поясом. Таким шляхом можливо виготовити балки одне — і двускатные, з ухилом як і верхньому, і у нижньому поясі. Для спрощення конструкції іноді у ролі нижнього пояса використовується тавр постійного за довжиною перерізу. Прагнення підвищити перетин помірного ослабленні поясних таврів і простінків призвело до використанню пластинчастих вставок між гребенями соединяемых частин. Це може також виявитися високоефективним при значних прольотах і відносно невеликий навантаженні, особливо у випадках, коли потрібно підвищена изгибная жорсткість по умові граничного прогину. Отвори, які знижуватимуть концентрацію напруг, вдасться одержати при криволинейных похилих резах. Разрезку виконують у цьому випадку з невеликими відходами металу. Відомо також багато інших варіантів розрізання стінок, мають ті чи інші приватні переваги.

Наиболее часто застосовують перфоровані балки з регулярної разрезкой і однаковою заввишки поясних таврів (балки симетричного перерізу). Для таких балок зручне використовувати типову поточную лінію, розраховану на одночасну синхронну автоматичну разрезку по копиру двох вихідних двутавров. Двутавры закріплюють на спеціальному многооперационном манипуляторе, що дозволяє після розрізання з допомогою двухрезаковой машини з'єднати однакові частини розчленованих балок між собою, зберігаючи фіксацію форми під час зварювання і після неї - до остигання готового вироби. Це дає можливість уникнути коробления від впливу початкових і зварювальних напруг і деформацій. У цьому кінці балок виходять різними: з одного боку на кінці балки створюється простінок, з другого боку стінка виявляється відкритої. Відкриту частина заповнюють вставкою з листовий стали. Той самий прийом (заповнення отвори листовий вставкою) застосовують іноді й у місцях опирания значних зосереджених вантажів, що вони розташовані над отворами. Для посилення стінки під великими зосередженими вантажами і в опор балки ставлять поперечні або торцевые опорні ребра.

3.2 Колони і елементи стрижневих конструкцій

Общая характеристика конструкций

Колонна є найдавнішої будівельної конструкцією. Більше 3000 років тому єгиптяни вытесывали із каменю колони для надгробних пам’яток, а V в. до н.е. колона посіла центральне місце у колоннадах громадських будівель у античних греків і римлян. Такі колони споруджувалися лише з емпіричним правилам, запозиченим з навколишнього світу.

Научный підхід до вивчення проблеми роботи стиснутих конструкцій було розпочато в XVIII в., коли Петрус Ван-Мусшенбрук побудував установку для випробувань на стиснення, а Леонард Эйлер отримав свою знамениту формулу, якої ми будемо неодноразово звертатися. Встановлено, що несуча здатність центрально-сжатого стрижня зворотно пропорційна квадрату його довжини, тобто. вдвічі більш довгий стрижень несе на в чотири рази меншу навантаження. На жаль, формула Эйлера, яка містить довільне ціла кількість, якій у той час було неможливо знайти пояснення, і навіть слабке відповідність цієї формули експериментальним даним (як ми сьогодні знаємо, погано обгрунтованим) сприяли її забуттю на 200 років. Лише наприкінці уже минулого століття ця формула отримала загальне визнання й подальше розвиток, яке тривало і натомість гострих дискусій незалежності до середини нашого століття. З істотою цих дискусій спрямувати ми познайомимося пізніше, і тепер розглянемо лише коротку характеристику конструкцій, працівників стиснення.

Колонны, стійки, стріли кранів та інші подовжньо стислі конструкції з погляду їх розрахунку мають спільні риси з окремими елементами, входять до складу інших конструкцій чи стрижневих систем, наприклад зі стрижнями ферм, елементами зв’язків тощо. Це дозволяє їх необхідно розглядати у складі одного розділу, але з різною ступенем деталізації. За всього різноманіття такі конструкції мають загальні формальні ознаки — усі вони працюють на стиснення чи стиснення з вигином, які довжина в 10…20 разів, і більш перевищує розміри поперечних перетинів. Конструкція складається з власне стрижня і опорних пристроїв, технічні вирішення яких залежить від призначення конструкції і особливості, вузлових поєднанні.

По формі силуету конструкції може бути постійного перерізу, змінного перерізу й ступеневими. Зміна перерізу по довжині дозволяє знизити металлоемкость, але дуже, тому такі стрижні проектують з архітектурних міркувань або коли зниження маси призводить до додатковим ефектів, наприклад, у рухливих конструкціях типу крановых стріл.

Типичными представниками стиснутих стрижневих конструкцій є колони і стійки, які з стрижня, оголовка, бази, іноді консолі. Оголовок служить для опирания і кріплення вышележащих конструкцій. База виконує дві функції - розподіляє зусилля, передане колоною на фундамент, знижуючи напруга до розрахункового опору фундаменту, і відданість забезпечує прикріплення щодо нього колони з допомогою анкерных болтів. На консолі можуть спиратися підкранові балки, стеновые панелі, технологічні комунікації тощо. п.

Мощные стрижні типу колон, стійкий, елементів важких ферм виконують з одиночних широкополочных двутавров чи становлять їх із кількох прокатних профілів. Складові стрижні може бути сплошностенчатыми — суцільними — і наскрізними.

Последние в своє чергу ділять на стрижні з безраскосной гратами, ґратчасті і перфоровані. Гілки (пояса) безраскосных стрижнів об'єднують планками з листової сталі, жорсткими вставками чи перфорированными листами. Перфоровані стрижні може бути виконано також гнутосварными з зигзагами розрізаних аркушів або з прокатних профілів, котрі після попередньої фігурного різання об'єднують в крестообразное перетин. За всієї своєї привабливості перфоровані стрижні знаходять обмежений застосування, що пов’язані з додатковими операціями і необхідністю мати устаткування для фігурного різання і гнучкі заготовок у вигляді гнутих швелерів чи куточків. При виготовленні стійкий з перфорованих прокатних профілів необхідні операції правки, оскільки після різання вихідного профілю отримані заготівлі вигинаються в різні боки внаслідок наявності у вихідному металлопрокате залишкових напруг.

Элементы стрижневих конструкцій невеликих поперечних розмірів проектують зі згаданих круглих чи прямокутних труб, одиночних або спарених куточків.

По виду напруженого стану стрижні ділять на центрально-сжатые, внецентренно стислі і сжато-изгибаемые. Аналогічну класифікацію використовують із найменування розтягнуті элементов.

3.3 Ферми

Общая характеристика і класифікація ферм

Фермой називають систему стрижнів (зазвичай прямолінійних), з'єднаних між собою у вузлах і їхнім виокремленням геометрично неизменяемую конструкцію.

Если навантаження прикладена в вузлах, а осі елементів ферми перетинаються лише у точці (центрі вузла), то жорсткість вузлів несуттєво впливає роботу конструкції й у більшості випадків їхня можна як шарнірні. Тоді всі стрижні ферми відчувають лише осьові зусилля (розтягнення чи стиснення). Завдяки цьому метал у фермах використовується понад раціонально, ніж у балках, і вони економічніше балок по витраті матеріалу, а більш трудомісткі у виготовленні, бо мають велика кількість деталей. Зі збільшенням перекрываемых прольотів і зменшенням навантаження ефективність ферм порівняно з сплошностенчатыми балками зростає.

Стальные ферми отримали стала вельми поширеною у багатьох областях будівництва: в покриттях і перекриттях промислових і громадянських будинків, мости, опорах ліній електропередачі, об'єктах зв’язку, телебачення і радіомовлення (вежі, щогли), транспортерних галереях, гідротехнічних затворах, грузоподъемных кранах і т.д.

Фермы бувають пласкими (все стрижні лежать у площині) і просторовими.

Плоские ферми можуть сприймати навантаження, прикладену лише у площині, і потребують закріпленні зі свого площині зв’язками чи іншими елементами. Просторові ферми утворюють жорсткий просторовий брус, здатний сприймати навантаження, діючу у напрямку. Кожна грань такого бруса є пласку ферму. Прикладом просторового бруса може бути баштова конструкція.

Основными елементами ферм є пояса, що утворюють контур ферми, і решітка, що перебуває з раскосов і стійкий.

Расстояние між вузлами пояса називають панеллю (d), відстань між опорами — прольотом (l), відстань між осями (чи зовнішніми гранями) поясів — заввишки ферми (hф).

Пояса ферм працюють сьогодні здебільшого на подовжні зусилля і діяти момент (аналогічно поясам суцільних балок); решітка ферм сприймає переважно поперечну силу, виконуючи функцію стінки суцільний балки.

Соединения елементів в вузлах здійснюють шляхом безпосереднього примикання одних елементів решти чи з допомогою вузлових фасонок. Щоб стрижні ферм працювали переважно на осьові зусилля, а впливом моментів можна було знехтувати, елементи ферм слід центрировать по осях, які пройшли через центри тяжкості.

В залежності від призначення, архітектурних вимог, і схеми докладання навантажень ферми можуть мати найрізноманітнішу конструктивну форму. Їх можна класифікувати по наступним ознаками: статичної схемою, обрису поясів, системі грати, способу сполуки елементів в вузлах, величині зусилля у елементах.

По статичної схемою ферми бувають: балочні (розрізні, неразрезные, консольні), аркові, рамні і вантовые.

В покриттях будинків, мости, транспортерних галереях та інших подібних спорудах найбільше застосування знайшли балочні розрізні системи. Вони прості в виготовленні і монтажі, не вимагають устрою складних опорних вузлів, але дуже металлоемки. При великих прольотах (понад 40 кримінальних м) розрізні ферми виходять негабаритными та його доводиться складати з окремих елементів на монтажі. При числі перекрываемых прольотів дві голови і більш застосовують неразрезные ферми. Вони економічніше по витраті металу й володіють більшої жорсткістю, що дозволяє зменшити їхню висоту. Але як в різних зовні статично невизначених системах, в неразрезных фермах при осаді опор виникають додаткових зусиль, тому їх застосування при слабких просадочных підставах категорично не рекомендується. З іншого боку, необхідність створення неразрезности ускладнює монтаж таких конструкцій. Консольні ферми використовують із навісів, веж, опор повітряних ліній електропередач. Рамні системи економічні по витраті стали, мають менші габарити, проте він більше складні під час монтажу. Їх застосування раціонально для великопрольотних будинків. Застосування аркових систем, хоч і дає економію стали, призводить до збільшення обсягу приміщення і поверхні огороджуючих конструкцій. Їх застосування диктується переважно архітектурними вимогами. У вантовых фермах все стрижні працюють лише з розтягнення і може бути виконані з гнучких елементів, наприклад сталевих тросів. Розтягнення всіх елементів таких ферм досягається вибором обриси пасків і грати, і навіть створенням попереднього напруги. Робота лише з розтягнення дозволяє цілком використовувати високі прочностные властивості стали, оскільки знімаються питання стійкості. Вантовые ферми раціональні для великопрольотних перекриттів й у мости. Проміжними між фермою та суцільний балкою є комбіновані системи, які з балки, підкріпленої знизу шпренгелем чи раскосами, або згори аркою. Підкріплювальні елементи зменшують изгибающий той час у балці і підвищують жорсткість системи. Комбіновані системи прості їх виготовляти (внаслідок меншої кількості елементів) і раціональні у важких конструкціях, а й у конструкціях з рухливими навантаженнями. Дуже ефективно застосування комбінованих систем при посиленні конструкцій, наприклад, підкріплення балки, при недостатньою її несучою здібності, шпренгелем чи подкосами.

В залежності від обриси поясів ферми поділяють на сегментні, полигональные, трапецеидальные, з паралельними поясами і трикутні.

Очертание поясів ферм значною мірою визначає їх економічність. Теоретично найбільш економічної по витраті стали є ферма, окреслена по эпюре моментів. Для однопролетной балочной системи з рівномірно розподіленої навантаженням це завжди буде сегментна ферма з параболическим поясом. Проте криволінійне обрис пояса підвищує трудомісткість виготовлення, тому такі ферми нині мало застосовують.

Более підходить полигональное обрис з переломом пояса у кожному вузлі. Воно досить близько відповідає параболическому обрису эпюры моментів, не вимагає виготовлення криволинейных елементів. Такі ферми іноді застосовують для перекриття великих прольотів й у мости, тобто. в конструкціях, поставлених на будівельний майданчик «розсипом «(із окремих елементів). Для ферм покриттів звичайних будинків, поставлених на монтаж, зазвичай, як укрупнених отправочных елементів через ускладнення виготовлення ці ферми в час не застосовують. Ви їх можете зустріти лише у старих спорудах, побудованих до 1950;х років.

Фермы трапецеидального обриси, хоча й цілком відповідають эпюре моментів, мають конструктивні переваги, передусім з допомогою спрощення вузлів. З іншого боку, застосування таких ферм в покритті дозволяє влаштувати жорсткий рамний вузол, що підвищує жорсткість каркаса.

Фермы з паралельними поясами зі свого обрису далекі від эпюры моментів і з витраті стали не економічні. Проте рівні довжини елементів грати, однакова схема вузлів, найбільша повторюваність елементів і деталей і можливість їх уніфікації сприяє індустріалізації їх виготовлення. Завдяки цим переваг ферми з паралельними поясами стали основними покриття будинків.

Фермы трикутного обриси раціональні для консольных систем, і навіть для балкових систем при зосередженого навантаженні у середині прольоту (подстропильные ферми). При розподіленої навантаженні трикутні ферми мають підвищений витрата металу. З іншого боку, вони теж мають ряд конструктивних недоліків. Гострий опорний вузол складний і допускає лише шарнирное поєднання з колонами. Середні раскосы виходять надзвичайно довгими, та його перетин доводиться підбирати по граничною гнучкості, що викликає перевитрата металу. Однак у ряді випадків їхню застосування стропильных конструкцій диктується необхідністю забезпечення великого (понад двадцять %) ухилу покрівлі чи вимогами створення одностороннього висвітлення (шедовые покриття).

Системы решетки

Выбор типу грати залежить від схеми докладання навантажень, обриси пасків і конструктивних вимог. Так, щоб уникнути вигину пояса місця докладання зосереджених навантажень слід підкріплювати елементами грати. Задля більшої компактності вузлів кут між раскосами і поясом бажано мати у межах 30…50°.

Для зниження трудомісткості виготовлення ферма мусить бути наскільки можна простий з найменшою числом елементів і додаткових деталей.

Треугольная система грати має найменшу сумарну довжину елементів і найменше число вузлів. Розрізняють ферми з висхідними і спадними опорними раскосами. Якщо опорний розкіс залежить від нижнього опорного вузла ферми горішнього поясу, його називають висхідним. При напрямі раскоса від опорного вузла верхнього пояса до нижньому — спадним. У місцях докладання зосереджених навантажень (наприклад, в місцях опирания прогонів покрівлі) можна встановити додаткові стійки чи підвіски. Ці стійки служать також і зменшення розрахункової довжини пояса. Стойки і підвіски працюють лише з місцеву навантаження.

Недостатком трикутною грати служить наявність довгих стиснутих раскосов, що потребує додаткового витрати стали задля забезпечення їх стійкості.

В раскосной системі грати все раскосы мають зусилля одного знака, а стійки — іншого. Так, в фермах з паралельними поясами при висхідному раскосе стійки розтягнуті, а раскосы стиснуті; при низхідному — навпаки. Очевидно, при проектуванні ферм слід прагнути, щоб найбільш довгі елементи були розтягнуті, а стиснення сприймалося короткими елементами. Раскосная решітка більш металлоемка і трудомістка проти трикутною, оскільки загальна довжина елементів грати більше й у ній більше вузлів. Застосування раскосной грати доцільно при малої висоті ферм і великих вузлових навантаженнях.

Шпренгельную грати застосовують при внеузловом додатку зосереджених навантажень горішнього поясу, і навіть за необхідності зменшення розрахункової довжини пояса. Вона більш трудомістка, але натомість винятку роботи пояса на вигин і зменшення його розрахункової довжини може забезпечити зниження витрати стали.

Если навантаження до ферми може діяти як і одному, і у іншому напрямку (наприклад, вітрова навантаження), то доцільно застосування крестовой грати. Раскосы такий грати може бути виконано з гнучких елементів. І тут стислі раскосы внаслідок більшої гнучкості вимикаються із роботи і решітка працює як раскосная з розтягнутими раскосами і стислими прилавками.

В фермах з поясами з таврів можна застосувати перехресну грати з одиночних куточків з кріпленням раскосов безпосередньо до стінки тавра.

Ромбическая і полураскосная грати завдяки двом системам раскосов мають великий жорсткістю; ці системи застосовують у мости, вежах, щоглах, зв’язках для зменшення розрахункової довжини стрижнів. Вони раціональні за високої висоті ферм і роботі конструкцій на значні поперечні сили.

Возможна в однієї фермі комбінація різних типів грати.

По способу сполуки елементів в вузлах ферми поділяють на зварні і болтові. У конструкціях, виготовлених до 1950;х років, застосовувалися також клепаные сполуки. Основними типами ферм є зварні. Болтові сполуки, зазвичай, на високоміцних болтах застосовують у монтажних вузлах.

По величині максимальних зусиль умовно розрізняють легкі ферми з сечениями елементів з простих прокатних чи гнутих профілів (при зусиллях в стрижнях N3000кН).

Эффективность ферм може бути підвищено під час створення у яких попереднього напруги.

Из всього різноманіття ферм у цьому посібнику розглянуті тільки легені розрізні балочні ферми, мають найбільш широке применение.

3.4 Технологічні майданчики

3.4.1 Загальні відомості. Классификация

Площадки призначені розміщувати технологічного устаткування, організації його обслуговування, ремонту й складаються з несучих балок, настилу, драбин і огорожі. Залежно від величини корисною навантаження та призначення майданчики поділяють втричі групи.

1. Майданчики під важке стаціонарне обладнання та рухливу навантаження (робочий майданчик сталеливарних і ливарних цехів, головних корпусів ТЕЦ тощо.) з корисною навантаженням р > 20 кН/м2.

2. Ремонтні майданчики ходових коліс кранів, майданчики під транспортери, трубопроводи, вентилятори з р =4…20 кН/м2.

3. Посадкові майданчики на опорні (мостові) і підвісні крани, оглядові майданчики з корисною навантаженням р = 2,0…4,0 кН/м2.

Площадки першої групи виконують у вигляді самостійних вмонтованих у будинок споруд. Такі майданчики спираються деякі колони, сітка які зазвичай кратна модулю, ухваленого будівництві (М = 6 м чи рідше 3 м). По колонах встановлюють систему несучих балок (балочную клітину) і влаштовують настил. Геометричну незмінюваність такого вмонтованого споруди та її жорсткість забезпечують системою вертикальних зв’язків.

Площадки другий групи зазвичай виконують у вигляді сталевого настилу з пласкою чи рифленого стали, підкріпленого знизу ребрами жорсткості з сталевої смуги чи куточків. Балки майданчиків опирают на кронштейни, які у своє чергу зміцнюють до стін, колонах, вітровим фермам торцевих стін будинків або у ролі балок майданчики використовують підкранові балки, яких зміцнюють рифлений сталевої лист. Іноді балки опирают деякі колони, аналогічно майданчикам першої групи.

Площадки третьої групи найчастіше збирають із уніфікованих сталевих елементів (балок, настилу, драбин). Балки цих майданчиків зміцнюють, зазвичай, до основним несучим конструкціям будинку (колонах, стінах, подкрановым балок, стропильным конструкціям) або до конструкціям технологічного устаткування.

В ролі настилу застосовують аркуші з пласкою чи рифленого почав із підкріпленням їх ребрами жорсткості, плити з збірного залізобетону, і навіть залізобетонний настил, що здійснюється по опалубки з сталевого гофрованого аркуша (сталежелезобетонный настил).

Стальной настил в майданчиках першої групи застосовують, якщо можливо швидке руйнація бетону від дії високих температур і великих циклічних навантажень (сталеливарні і ливарні цехи).

3.4.2 Балочні клетки

Схемы балкових клітин визначаються розташуванням устаткування й типом настилу. Вибирають їх із умови забезпечення найменших витрат металу, бетону і праці в виготовлення і монтаж, навіщо схеми балкових клітин застосовують з найбільш коротким і простим через передачу навантаження на колони й інші опори.

Балки настилу в плані розміщують з їх постійним крок з довжині кандидатів і балок (головних чи другорядних), крок цих балок визначається несучою здатністю і жорсткістю настилу, Треба мати у вигляді, що з зменшенні кроку балок настилу товщина останнього, і сумарний витрата матеріалів на настил до що підтримують його балки зменшуватимуться до певної межі, після якого перерізу балок визначатимуться не умовами міцності, а вимогами жорсткості, і може бути доцільним збільшити крок балок.

Главные балки орієнтують у бік більшого кроку колон (подовжнього чи поперечного) і проектують зазвичай розрізними. З огляду на значні прольоти головних балок, складові, зазвичай, 9…12 метрів і більш, їх проектують складеного двутаврового перерізу з членуванням за необхідності на отправочные елементи. На монтажі отправочные елементи об'єднують на єдину конструкцію зварюванням або високоміцними болтами з накладками.

Балки настилу проектують двутаврового чи рідше швеллерного перерізу. Треба мати у вигляді, що у майданчиках з балочной клітиною нормального і ускладненого типів прокатні балки раціональні при прольотах до 8…9 м, навантаженнях до 10…12 кН/м2 і залізобетонний настилі. Якщо відстань між головними балками більш 9 м. то економічніше переходити на балочную клітину ускладненого типу з 2…3 допоміжними балками, які виконують двутаврового і таврового перерізу або з куточків.

Балки настилу можна проектувати розрізними і неразрезными. Остання статична схема зручніше при поверховому поєднанні балок (рис. 5.15, в). У плані другорядні балки размешаются або з їх постійним крок з довжині кандидатів і балок при рівномірно розподіленої корисне навантаження, або з нерегулярним кроком при установці на майданчику стаціонарного устаткування. Крок балок настилу визначається конструкцією настилу і обсягом корисною навантаження.

3.4.3 Настилы

В конструкціях технологічних майданчиків застосовують сталеві суцільні настили з плоского чи рифленого аркуша, залізобетонні (з збірних плит чи монолітною плити) і сталежелезобетонные.

Выбор матеріалу настилу та її конструктивне рішення (стаціонарний чи зйомний щитової) вибирають з урахуванням технологічного призначення майданчики, характеру і величини корисною навантаження, температурно-влажностного режиму експлуатації, агресивності середовища, економічного чинника.

Поверх несе настилу часто влаштовують захисний настил (асфальтовий чи бетонну мозаїчну підлогу завтовшки 40…60 мм на несущому залізобетонний настилі, дерев’яний з торцевих брусків — на сталевому).

Щиты знімних настилів може мати розміри у плані до 3×12 м (для ручного відкривання щити, зазвичай, мають менші розміри й безліч трохи більше 75 кг). Щити складаються з системи другорядних та допоміжних балок, сталевого настилу, підкріпленого ребрами жорсткості, й укладаються на підтримують головні балки. Застосування подібного конструктивного рішення підвищує ступінь заводський готовності знижує трудовитрати під час монтажу.

Полезную навантаження на настил приймають технологічного завданням, яка може досягати 40 кН/м2; вертикальні відносні прогини настилу не повинно перевищувати вимог норм; їх пов’язують із прольотом настилу ln. Так, при ln? 1,0 м граничний відносний прогин приймають [?/l] = 1/120; при ln = 3,0 м — 1/150; при ln=6,0 м — 1/200.

3.4.4 Сходів і перехідні площадки

Настилы технологічних майданчиків можуть розташовуватися до одного чи кілька ярусів в залежність від виду обладнання та його висоти. Для доступу обслуговуючого персоналу до технологічного устаткування влаштовуються драбини у вигляді сходових маршів чи драбин.

Лестничные марші складаються з косоуров (тятиви), опорних елементів, щаблів, огорожі (балюстради, стійкий) і встановлюються з кутом нахилу? = 45° і 60°, який залежить від частоти обслуговування обладнання і наявність вільних площ для розміщення драбин. При великий частоті використання драбини приймається кут нахилу? = 45°. Останніх ширину маршів (відстань між поручнями огорожі) приймають 600, 800 і 1000 мм з кроком щаблів 200 мм. Марші з кутом нахилу 60° виконують шириною 600 і 800 мм з кроком щаблів 300 мм. Проектування драбин роблять у відповідність до вказівками типовий серії 1.459−2 «Сталеві драбини, перехідні майданчики й огородження » .

Тетиву виконують з холодногнутого профілю пан [180×50×4 чи прокатних швелерів N16; 18. Розрахункову схему тятиви беруть у вигляді однопролетной похилій балки при одномаршевой драбині чи многопролетной балки ламаного обриси при двохі більш маршової прямий драбині. Косоуры працюють на поперечний вигин від безлічі металоконструкцій драбин i корисній навантаження, що у відповідність до вказівками норм приймається як вертикальної зосередженого сили Рн = 1,5 кН, розташованої на майданчику довжиною 10 див посередині прольоту косоура. Відносний прогин маршу ні перевищувати 1/150 при довжині драбини 3 метрів і 1/120 при довжині 6 м. Коефіцієнт надійності за навантаженням приймають рівним 1,2.

Ступени драбин виготовляють з сталевого аркуша: гнуті з рифленого стали t=4 мм, гнуті з просечно-вытяжного аркуша з отгибом подступенка з непросеченной частини аркуша, ребристі з смуг 40×4 чи арматурной стали 16…20 мм з подступенком з прокатного куточка 1,50×5 і з штампованих профилированных елементів швеллерного перерізу. Усі типи щаблів виготовляють шириною 200 мм. Перехідні майданчики застосовують при висоті драбин h> 6 метрів і при устрої поворотів сходових маршів. Ширіну майданчиків призначають рівної ширині маршу. Довжину майданчиків (проліт між опорами) беруть у залежність від корисною навантаження в межах 600…6000 мм: при довжині 600…2400 мм, кратної 300 мм, більш 2400 мм — кратної 600 мм. Перехідні майданчики складаються з сталевого настилу (застосовують хоча б матеріал, що у щаблів маршів), ребер жорсткості і балок майданчики. Настил приварюють до подовжнім балок.

Переходные майданчики зміцнюють до стін і колонам каркаса будівлі несучим елементам технологічного устаткування кронштейнами і консольными балками.

Высоту балюстради приймають рівної 900 мм, крок стійкий — 600…1000 мм. Поручні і стійки балюстради можна виконувати зі спеціального гнутого сталевого профілю 50×40×12×2,5, з прямокутної труби 60×40×2,5, квадратної 40×40×2,5 або з равнополочных куточків 45×4, 50×5; проміжну горизонтальну розпірку виконують з куточка 25×3 чи смуги 40×4 .

Поручни розраховують як многопролетную балку, опорами якої слугують стійки балюстради, на горизонтальну розподілену навантаження інтенсивністю рп = 0,8 кН/м, Якщо ж технологічна майданчик варта нетривалого перебування людей (наприклад, посадкова майданчик на бруківці кран), то розрахунок балюстради ведуть на горизонтальну зосереджена навантаження інтенсивністю Pп = 0,8 кН. Стойки балюстради розраховують як консольні елементи, завантажені зосередженого горизонтальній навантаженням, рівної відсічі поручнів балюстради. Граничний відносний прогин балюстради ні перевищувати 1/150 їх прольоту і 1/120 — для стійкий. Коефіцієнт надійності по навантаженні при розрахунку елементів балюстради призначають рівним 1,2.

Стремянки застосовують у тому випадку, коли неможливо чи недоцільно ставити драбини через їх рідкісного використання (наприклад, підйом робочого один-два разу на зміну). Кут нахилу драбин приймають рівним 90°. ширину 600 мм висоту від 2400 до 6000 мм. Драбину складаються з тятиви, щаблів й огородження. Тятиву виготовляють зазвичай з 75×6, до пий приварюють щаблі з прутка 18 мм з кроком 300 мм.

Список литературы

Стрелецкий М. З., Стрєлецький Д. М., Проектування та вироблення економічних металевих конструкцій, М., 1964 (Матеріали до курсу металевих конструкцій, в.4);

Мельников М. П., Металеві конструкції там, М., 1971; Будівельні норми і правила, год. 2, розділ У, гол. 3.

В.Г. Микульський. Г. И. Горчаков. Будівельні матеріали. АВС 2002 р.