Рекомендуем вам также следующие ресурсы по темам, связаным с домами - строительство, недвижимость, дизайн интерьера :



Прочная тротуарная плитка в Санкт-Петербурге в черте города.


 Новостройки и новые жилищные комплексы, обзоры

 



Архитектурное бюро Глушкова

СТАЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ

 
СТАЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ — конструкции, изготавливаемые из сталей различных марок и состояний. Основными достоинствами стальных конструкций, определяющими область их применения, являются: относительная легкость, достигаемая в результате использования сталей с высокими прочностными характеристиками; разнообразие конструктивных форм; широкая возможность типизации и унификации, высокая степень индустриальности изготовления и монтажа; возможность сочетания с другими материалами (например, железобетоном, алюминием и т. д.), а также выполнения сборно-разборных конструкций.
 
Основные недостатки стальных конструкций — подверженность коррозии (особенно в некоторых агрессивных средах) и снижение прочности при высоких температурах.Стальные конструкции применяются преимущественно в качестве несущих конструкций зданий и сооружений, башенных конструкций различного назначения, листовых конструкций, пролетных строений мостов, подвижных металлических конструкций (в т. ч. кранов, затворов гидротехнических сооружений) и т. д.
 
При проектировании стальных конструкций, помимо соблюдения основных положений — обеспечения надежности сооружения и удовлетворения условиям эксплуатации, необходимо выполнение требований, которые определяют оптимальность конструктивной формы: экономия стали, уменьшение трудоемкости изготовления, сокращение сроков монтажа. В стальных конструкциях применяются различные статические схемы, в том числе балочные, рамные, арочные, висячие, комбинированные, пространственные; иногда сооружают предварительно напряженные стальные конструкции.Предварительное напряжение и регулирование усилий в стальных конструкциях достигается различными конструктивными приемами.
 
Наиболее хорошо изучены балки, фермы, арки, рамы, в которых предварительное напряжение осуществляется введением затяжек из высокопрочных сталей (тросов, пучков высокопрочной проволоки), натягиваемых в процессе изготовления конструкции. Экономия стали получается за счет создания в металле основного (жесткого) элемента предварит, напряжений, обратных по знаку напряжениям от нагрузки, что обеспечивает более полную работу металла под нагрузкой, а также в результате введения высокопрочных материалов в элементы, работающие на изгиб. Предварительное напряжение может осуществляться как при изготовлении элементов на заводе, так и при монтаже конструкций или целых сооружений.
 
Наибольшую экономию металла можно получить при создании многоступенчатого предварительного напряжения, при котором предварительное напряжение чередуется с постепенным загружением конструкции постоянными нагрузками.Регулирование усилий производится в статически неопределимых системах (неразрезных балках, рамах) путем создания в незагруженной конструкции моментов, эпюра которых в сочетании с эпюрой от действующей нагрузки обеспечивает наилучшее использование материала в конструкции. В неразрезных балках искусственным смещением опор достигается перераспределение пролетных и опорных моментов. В консольных балках путем временной пригрузки консолей с последующим закреплением их тягами обеспечивается увеличение опорных моментов и разгрузка ригеля в пролете.
 
В дальнейшем на эксплуатационные нагрузки конструкция работает совместно с тягами, как рамная система. Подобное регулирование усилий использовалось при проектировании ряда мостов.Материалом для стальных конструкций служат малоуглеродистые, низколегированные и высокопрочные стали. Основной строительной сталью является малоуглеродистая мартеновская сталь марки Ст.З, с содержанием углерода до 0,22%. Большой процент содержания углерода в строительных сталях не допускается, т. к. при этом ухудшается свариваемость металла. Применение кипящих конверторных сталей, более загрязненных вредными примесями (по сравнению с мартеновскими), ограничено неответственными клепаными конструкциями, однако развитие и совершенствование конверторного процесса производства стали ведет к все более широкому их распространению в строительстве.
 
Конструкции, воспринимающие динамические, вибрационные (или ударные) воздействия или работающие при отрицательных температурах, для которых опасны явления концентрации напряжений, выполняются из стали марки Ст. 3 (спокойной). Имеется тенденция в качестве основной марки строительной стали для сварных конструкций вместо Ст. 3 (кипящей) использовать Ст. 3 (полуспокойную), более однородную, чем Ст. 3 (кипящая), и более простую по методам выплавки, чем Ст. 3 (спокойная). Низколегированные строительные стали марок 14Г2, 15ХСНД, 15ГС, 10Г2С, 10ХСНД и другие, более дорогостоящие и более чувствительные к концентрациям напряжений, чем Ст. 3, применяются при больших усилиях в элементах с целью экономии материала, облегчения собственного веса конструкций и упрощения конструктивной формы элементов. Большую экономию металла дают высокопрочные стали.
 
В висячих и предварительно напряженных стальных конструкциях весьма эффективно используются тросы и пучки высокопрочной проволоки.Стальные конструкции выполняются сплошно-стенчатыми, плоскими и пространственными, решетчатыми, листовыми и т. д.В промышленных зданиях стальные конструкции сооружаются при больших пролетах и высотах зданий, при тяжелом крановом оборудовании и напряженном режиме работы кранов, а также в условиях эксплуатации, при которых железобетонные конструкции не являются долговечными. К таким зданиям относятся многие здания предприятий металлургической и химической промышленности, кузнечно-прессовые и сборочные цехи заводов тяжелого машиностроения, авиа сборочные цехи и т. п.
 
Стальные конструкции промышленных зданий представляют собой комплекс конструктивных элементов в виде поперечных рам, конструкций шатра здания, стропильных и подстропильных ферм, прогонов, фонарей, подкрановых балок, элементов фахверка и связей, сочлененных в пространственный каркас. Поперечные рамы являются основными несущими конструкциями, они воспринимают все нагрузки от мостовых кранов, собственного веса, несущих и ограждающих конструкций, от ветра и снега. От жесткости поперечных рам в горизонтальном направлении в основном зависят эксплуатационные качества сооружения. Повышение жесткости каркаса достигается защемлением колонн в фундаментах, жестким сопряжением ригеля рам с колоннами, а также за счет пространственной работы конструкции.
 
Пространственная работа каркаса в горизонтальном направлении обеспечивается при наличии железобетонных кровельных плит жестким кровельным диском покрытия, а при более легких кровлях — горизонт, связями, расположенными по нижним поясам ригелей.При действии нагрузок от мостовых кранов на одну или несколько рам температурного блоки и железобетонные покрытия оказываются недолговечными; в таких случаях более целесообразны металлические кровли (из волнистой стали, алюминия и т. п.). В зданиях с пролетами в пределах 24—30 м и с мостовыми кранами грузоподъемностью до 50 т получают распространение смешанные каркасы в виде железобетонных колонн и металлических конструкций шатра и подкрановых балок.
 
Большепролетные стальные конструкции применяются в перекрытиях спортивных и зрелищных сооружений, крытых рынков, выставочных павильонов, ангаров, авиасборочных цехов и т. п. Применение стальных конструкций в перекрытиях больших пролетов оправдывается значительным снижением собственного веса конструкций, удобствами монтажа и архитектурными достоинствами таких конструкций. В большепролетных перекрытиях применяются разные виды несущих систем (балочные, рамные, арочные, висячие, оболочки и др.).
 
В зданиях с обычным температурным режимом покрытие часто проектируется без прогонов, в виде железобетонных плит пролетом 6 или 12 м, укладываемых по ригелям рам. Такая кровля весьма индустриальная, но тяжела. Более экономичны (по затрате металла) покрытия из асбестоцементных или других легких плит с эффективным утеплителем, укладываемые по легким прогонам (прокатным или решетчатым). В зданиях с большими тепловыделениями при температуре (на уровне кровли) 100—150° системы. В большепролетных стальных конструкциях перспективно применение предварительного напряжения и регулирования усилий, использование пространственных систем с совмещением несущих и ограждающих конструкций, сталей повышенной прочности и алюминиевых конструкций, обеспечивающих эффективное снижение собственного веса конструкций.
 
Существенную экономию стали можно получить снижением собственного веса ограждающих конструкций кровли, использованием для кровли свето-прозрачных пластмасс и т. п. Большепролетные конструкции, как правило, не являются массовыми, однако в них возможно широкое применение типовых конструктивных элементов (плит, прогонов и т. п.).Стальные конструкции высотных сооружений типа опор, башен и мачт используются главным образом для линий связи и электропередач, радиовещания и телевидения. Аналогичного вида конструкции применяются для геофизических вышек, опор канатных дорог и т. п. В высотных сооружениях главными нагрузками являются ветер и гололед, действующие как на конструкцию, так и на оборудование. В СССР проведена большая работа по уточнению величин этих нагрузок, что позволило существенно снизить вес сооружений.
 
Однако эта проблема не исчерпана и дальнейшее изучение нагрузок, действующих на высотные сооружения, является одним из путей, которые могут привести к значительной экономии стали. Основой уменьшения ветровой нагрузки является создание сооружений обтекаемых форм с применением стержней круглого сечения и т. п. Кроме того, трубчатые и круглые профили лучше сопротивляются коррозии, что важно для сооружений, стоящих на открытом воздухе. Прогрессивными направлениями в монтаже высотных сооружений являются применение высокопрочных болтов, монтажной сварки проплавлением, монтажа линейных сооружений с вертолетов.
 
Стальные конструкции доменных цехов связаны с технологическими агрегатами и развитие их идет совместно с совершенствованием технологического процесса в направлении укрупнения доменных сооружений. Основной конструктивной и технологической проблемой стальных конструкций доменных цехов является их типизация с выявлением оптимальных объемов доменных печей и других агрегатов. Скоростные методы монтажа достигаются укрупнением монтажных элементов, что, помимо уменьшения числа монтажных подъемов, обеспечивает автоматизацию монтажной сварки доменных кожухов и др. элементов.
 
Совершенствование стальных конструкций доменных печей направлено на создание условий работы при одноосном линейном напряженном состоянии путем устройства различных компенсаторов и улучшения конструктивной формы, а также на уменьшение количества горизонтальных швов, свариваемых вручную.Листовые стальные конструкции  — резервуары, газгольдеры, трубопроводы (см. Магистральные трубопроводы), потребляют до 60% расхода стали на все строительные конструкции. Развитие конструктивных форм резервуаров идет в первую очередь в направлении уменьшения потерь при хранении легко испаряющихся продуктов, а также создания рациональных (по расходу металла и трудоемкости изготовления) конструкций. Каплевидные и шаровые конструкции лучше всего отвечают условиям эксплуатации, но они сложны в изготовлении.
 
Более перспективны для массового строительства вертикальные цилиндрические резервуары, допускающие повышение избыточного давления до 2 кг/см2 и тем самым резко уменьшающие потери горючего от испарения. Хорошо удовлетворяют эксплуатационным и строительным требованиям каплевидные цилиндрические резервуары. Весьма перспективны и экономичны газгольдеры постоянного объема высокого давления. Вертикальные направляющие в современных мокрых газгольдерах заменяются винтовыми направляющими без наружного каркаса, что, помимо экономии стали, упрощает эксплуатацию и повышает их надежность.Подземные и надземные трубопроводы большого диаметра, предназначенные для транспорта газа, нефти и нефтепродуктов, работают в сложных условиях, правильный учет которых является одной из основных задач проектирования трубопроводов.
 
Опасность хрупкого разрушения ставит вопрос о повышении пластично материала и в связи с этим об отказе от экспандирования, повышающего предел текучести стали.Листовые конструкции, эксплуатируемые на открытом воздухе или в грунте, нуждаются в защите от коррозии. Особенно важна борьба с коррозией подземных трубопроводов. Объемно-листовые конструкции обычно защищаются нанесением масляных или битумных покрытий. Для подземных конструкций применяется электрозащита от действия блуждающих токов. Перспективна защита пластмассовыми покрытиями.
 
Снижение расхода стали листовых стальных конструкций связано с изысканием оптимальных конструктивных форм, уточнением методов расчета на основе изучения действительной работы конструкций, применением низколегированных сталей, которые, помимо экономии металла, повышают коррозие-стойкость и в некоторых случаях позволяют значительно снизить толщину стенок резервуаров (до 14 мм — максимальной толщины, допустимой при изготовлении стальных конструкций методом рулонирования). Разнообразна номенклатура подвижных стальных конструкций. К ним относятся конструкции различных кранов, отвальных мостов, применяемых при вскрышных работах в горных выработках, конструкции гидротехнических затворов, крупных экскаваторов и т. п.
 
Подвижные конструкции наряду с большой прочностью должны иметь минимальный вес. Требование уменьшения веса делает целесообразным проектирование подвижных конструкций решетчатыми с применением труб или гнутых профилей. Стальные мосты (см. Металлический мост) для железных и автомобильных дорог имеют широкое распространение благодаря значительной простоте и быстроте их возведения и восстановления. Эти преимущества делают стальные мосты особенно рациональными при строительстве в малоосвоенных районах и при больших пролетах.Расчет почти всех видов стальных конструкций производится по методу предельных состояний, причем учитываются два предельных состояния — по несущей способности и по развитию чрезмерных деформаций от статических и динамических нагрузок.
 
Третье предельное состояние по местным повреждениям (образованию или раскрытию трещин) при расчете стальных конструкций не учитывается, т. к. возникновение их в стальных конструкциях зависит не от условий эксплуатации, а является следствием несовершенной технологии изготовления и монтажа. За нормативное сопротивление стали принимается браковочное значение предела текучести в соответствии с нормами приемки. При расчете стальных конструкций на изгиб и внецентренное сжатие допускается развитие в опасных сечениях пластических деформаций. Возможность развития пластических деформаций учитывается также при расчете некоторых статически неопределимых систем (неразрезных балок, рам и т. п.).
 
Учет развития пластических деформаций обеспечивает экономию стали, позволяя сблизить расчетное предельное состояние с действительным и устранить излишние запасы. Сложное напряженное состояние стальных конструкций проверяется по энергетической теории прочности.Снижение трудоемкости изготовления стальных конструкций достигается упрощением конструктивной формы, развитием типизации и унификации, которые позволяют вводить на заводах поточные линии и внедрять высокопроизводительные методы изготовления — автоматическую резку и сварку, фрезеровку, кондукторное сверление, кондукторную сборку и т. п.Современные стальные конструкции изготавливаются главным образом сварными.
 
Клепаные конструкции применяются лишь в ж.-д. мостах и подкрановых балках (при тяжелом и непрерывном режиме работы кранов), когда возможность хрупкого разрушения металла является особенно опасной или изготовление путем сварки мощного составного сечения элемента представляет значительные технологические трудности. Клепаные конструкции более трудоемки и на 10—15% тяжелее сварных конструкций.Ускорение процессов монтажа стальных конструкций достигается путем совершенствования монтажного оборудования и расширения областей его применения, в результате типизации конструкций, автоматизации монтажной сварки, применения монтажных соединений на болтах, в том числе и на высокопрочных, укрупнением монтажных элементов, а также упрощением конструктивных форм монтажных сопряжений.
 
Повышение сопротивляемости коррозии стальных конструкций достигается нанесением соответствующих защитных покрытий (масляных красок, битумных лаков, металлов, перхлорвиниловых пленок и т. п.). Помимо нанесения защитных покрытий, долговечность стальных конструкций при воздействии агрессивной среды обеспечивается созданием устойчивых в отношении коррозии конструктивных форм (круглых, сплошностенчатых и т. п.), в которых отсутствуют места для скопления влаги и пыли, являющиеся источниками интенсивного развития коррозии, а также применением коррозие-стойких низколегированных сталей.
 
Защита стальных конструкций от воздействия высоких температур производится облицовкой огнеупорными материалами (керамикой, бетонами и т.п.) и установкой отражательных экранов при постоянном источнике теплоизлучения (технологические печи, горячие слитки металла и т.п.).Экономия металла в стальных конструкциях достигается путем применения сталей повышенной прочности, усовершенствования сортамента, использования гнутых, трубчатых и других эффективных профилей, уменьшения нагрузок (облегчение кровли и т.п.), разработкой новых, более прогрессивных конструктивных форм — предварительно напряженных, трубчатых, пространственных смешанных (сталежелезобетонных) и т.п. конструкций, совершенствованием методов расчета с целью освобождения от излишних коэффициента запаса, заменой клепаных конструкций сварными.
 
Важнейшие проблемы конструирования стальных конструкций — типизация и унификация, позволяющие совершенствовать конструктивные формы и удовлетворять всем основным требованиям оптимальности. Типизация необходима, прежде всего, в массовых видах стальных конструкций (мосты, несущие конструкции производственных зданий, резервуары, антенные сооружения и т.п.); в этих сооружениях производственная типизация достигла значительных объемов, что резко повысило серийность первичных элементов, из которых компонуются сооружения (прогонов, ферм, колонн и т.п.). В промышленных зданиях типизация доведена до разработки сортамента стропильных ферм, подкрановых балок и элементов колонн для тяжелых цехов предприятий металлургической промышленности.
 
 
Лит.: Металлические конструкции, под ред., Н. С. Стрелецкого, 3 изд., М., 1961; Лессиг В. Н., Лилеев А. Ф., Соколов А. Г., Стальные листовые конструкции, М., 1956;
 
 

« СТАЛЬБЕТОН СТАНОК ДЛЯ ГИБКИ АРМАТУРЫ »


Дизайн-проект от Архитектурного бюро Глушкова