Казанська Державна Архітектурно-Будівельна Академія. Реферат на тему: «Металеві конструкції». Виконав: Сабірзянов І.І. гр. 08-202 Перевірив: Камалова З.А. 2003 |
1. Загальні відомості.
2. Загальні характеристики.
2.1. Номенклатура сталевих конструкцій.
2.2. Переваги і недоліки сталевих конструкцій.
2.3. Вимоги, що пред'являються до металевих конструкцій.
3. Конструкції з металу.
3.1. Балки і балочні конструкції.
3.1.1. Класифікація балок.
3.1.2. Прокатні балки.
3.1.3. Складові балки.
3.1.4. Дистальні балки.
3.1.5. Балки замкнутого перетину.
3.1.6. Балки з гнучкою стінкою.
3.1.7. Балки з гофрованою стінкою.
3.1.8. Балки з перфорованою стінкою.
3.2. Колони і елементи стрижневих конструкцій.
3.3. Ферми.
3.4. Технологічні майданчика.
3.4.1. Загальні відомості. Класифікація.
3.4.2. Балочні клітки.
3.4.3. Настили.
3.4.4. Сходи та перехідні майданчики.
4. Список літератури.
Загальні відомості.
З розвитком металургійної промисловості зростає обсяг і номенклатура металевих виробів у будівництві та особливо асортимент з алюмінію. З сталевого прокату зводять каркаси промислових і цивільних будинків, мости, виготовляють арматуру для залізобетону, покрівельну сталь, труби, а також різні металеві вироби, заклепки, болти, цвяхи, шурупи. Різний профіль алюмінію використовують для виготовлення несучих і огороджувальних конструкцій, ф Широкому використанню металів у будівництві сприяє ряд їх цінних технічних властивостей: висока міцність, пластичність, підвищена теплопровідність, електропровідність і зварюваність. Поряд з цим метали, і особливо сталь і чавун, при дії різних газів і вологи сильно піддаються корозії і вимагають спеціального захисту.
Питання економії металу в галузі збірного залізобетону поряд з проблемою зниження трудомісткості виготовлення виробів арматури мають велике значення.
До перевитрати металу у будівництві ведуть наступні причини: заміна арматури проектних діаметрів та класів, а також профілів прокату, що є в наявності; технологічні втрати, обумовлені особливостями виробництва (відходи решт напружених стержнів, використовуваних для установки захоплень, відходів пасом на довгому стенді, на ділянках між формами і т. д.); відходи при заготівлі арматури та виробів з неї і розкрої прокату; прокат арматури з позитивними допусками: шлюб; руйнування конструкцій при контрольних випробуваннях.
Причинами перевитрати сталі є нераціональний розкрій металопрокату за кресленнями, заміна проектних профілів і листів на наявні в наявності великих перетинів і товщин, застосування сталі підвищеної і високої міцності без відповідного перерахунку конструкцій, недоліки в організації постачання металопрокату металургійними заводами.
Сформований питома вага в будівельній індустрії при виробництві залізобетону і будівельних конструкцій становить (%): завищення номінального діаметра арматурної сталі-62,4; плюсові допуски прокату-12,0; немірної довжини зварюваних марок сталі - 25,6.
Значна частка металевих виробів, що використовуються в будівництві, припадає на сталеву арматуру.
Втрати металу при виробництві арматурних робіт обумовлені перш за все рівнем технологічного обладнання та оснащення, особливостями технології.
Основні причини втрат арматурної сталі (питома вага в загальній витраті,%): відходи напружену арматуру - 7,5; відходи при р.аскрое стрижнів в різанні бухт - 2,6; відступи від проекту-1,0; випуск бракованої продукції - 0 , 5.
Розробка і впровадження ліній для безвідходної зварювання та різання арматурних стержнів всіх класів,
Для запобігання від корозії до застосування арматура повинна бути захищена від атмосферних опадів та інших джерел зволоження. Високоміцну арматуру слід зберігати в сухих закритих складських приміщеннях з відносною вологістю повітря не вище 60%. Не допускається зберігання такої арматури на земляній підлозі, агресивних або забруднених агресивними речовинами підкладках, а також поблизу місцезнаходження або виділення агресивних речовин (солі, гази, аерозолі). Допускається зберігання без обмеження відносної вологості повітря високоміцної арматури в атмосфері, насиченій парами летючих інгібіторів, яка може бути створена під герметизованими ковпаками, у тимчасових сховищах, захищених від атмосферних опадів.
Допустимим корозійним поразкою арматури вважається таке, при якому наліт іржі може бути видалений протиранням. Сухою ганчіркою. При невиконанні вказаної умови високоміцну арматуру піддають спеціальній перевірці на схильність до крихкого корозійного руйнування.
При використанні арматури з цинковим покриттям алюмінієвим не допускається його правка з допомогою верстатів, викликають механічне руйнування покриття, а при контактній зварці режим повинен бути підібраний за умови найменшого пошкодження покриття. Дугове зварювання названої арматури не допускається.
Для захисту арматури, використовуваної в ніздрюватих та силікатних бетонів автоклавного тверднення, використовують захисні покриття (обмазки) у вигляді холодної цементно-бітумної мастики, гарячої ингибированной бітумно-цементній або латексної-мінеральної та інших видів обмазок.
Товщина висушеного захисного покриття на арматурі повинна бути 0,3 ... 0,4 мм при використанні холодної цементно-бітумної мастики і не менше 0,5 мм при використанні цементно-полістирольної. При нанесенні покриттів в електричному полі товщина їх може бути зменшена відповідно до 0,2 ... 0,3 мм і 0,4 мм.
Захист арматури від корозії, тобто її тривале збереження в процесі експлуатації залізобетонної конструкції, в значній мірі залежить від технології її виготовлення, за винятком тих випадків, коли використовуються спеціальні захисні покриття, що наносяться на поверхню арматури.
Загальна характеристика та основи проектування металевих конструкцій
2.1 Номенклатура сталевих конструкцій
Сталеві конструкції використовують в різних інженерних спорудах, які залежно від конструктивної форми і призначення можна розділити на наступні види.
1. Одноповерхові виробничі будівлі. Такі будівлі можуть бути однопрогонові і багатопрольотні, в тому числі з прольотами різної висоти, з вбудованими робочими майданчиками і багатоповерховими вставками. Розміри в плані їх вельми різноманітні: від кількох десятків метрів до 1 км і більше. Виробничі будівлі зазвичай обладнали вбудованими транспортними засобами у вигляді конвеєрів, підвісних або мостових опорних кранів. У безкранових будівлях використовують підлоговий транспорт (електрокари, навантажувачі та ін.)
До недавнього часу сталевий каркас дозволялося застосовувати у виробничих будівлях при прольотах 24 м і більше, висоті більше 18 м і при вантажопідйомності кранів більше 50 т. Зараз ці обмеження зняті і сталеві конструкції знаходять широке застосування для створення ремонтних майстерень, укриттів для сільгосптехніки, навісів, складських приміщень та інших будівель при прольотах 12 ... 18 м. Набули поширення будівлі-модулі повної заводської готовності на основі аркових конструкцій, склепінь з об'ємно-формованого тонкого листа, структурних конструкцій (просторових гратчастих систем).
Поряд зі сталевими застосовують змішані каркаси, в яких по залізобетонних колон встановлюють сталеві конструкції покриття і підкранові шляхи.
2. Малоповерхові будівлі. Раніше такі будівлі будували з цегли, залізобетону, дерева та інших традиційних будівельних матеріалів. Зараз у подібних будинках використовують також сталь та алюмінієві сплави, з яких роблять каркас, обшивку утеплених стін, віконні рами, двері, вбудовані шафи, обрешітку перегородок. Освоєно виготовлення суцільнометалевих комплектної поставки "під ключ".
3. Висотні будівлі. Багатоповерхові будівлі (20 ... 30 поверхів і вище) використовують головним чином у цивільному будівництві, в умовах щільної забудови великих міст. Їх звичайно проектують з чітким поділом конструкцій на несучі і огороджувальні. Функції несучих конструкцій виконує сталевий каркас, а огороджувальних - легкі стінні панелі з ефективних теплоізоляційних матеріалів, в тому числі панелі з обшивками зі сталі
або алюмінієвих сплавів.
4. Великопролітні будівлі. Великі прольоти (50 ... 150 м і більше) мають спортивні споруди, криті ринки, виставкові павільйони і деякі виробничі будівлі (ангари, авіасборочние цехи та ін.) Для перекриття таких прольотів, як правило, використовують сталеві конструкції. Системи і конструктивні форми великопрольотних покриттів дуже різноманітні. Тут можливі балочні, рамні, арочні, купольні, висячі і комбіновані системи, причому як плоскі, так і просторові.
Основний навантаженням у великопрольотних будівлях є власна вага, для зниження якого раціонально застосовувати полегшені огороджувальні конструкції, сталі підвищеної і високої міцності, різні способи регулювання зусиль,. В тому числі
попереднє напруження.
5. Мости, естакади. Прогонові будови мостів на залізничних і автомобільних дорогах виконують з металу при великих (до 1 км і більше), а також середніх (30 ... 60 м) прольотах. В останньому випадку сталевим мостах віддають перевагу при стислих термінах зведення і при будівництві на стратегічних дорогах, з огляду на можливість їх швидкого відновлення.
Мости та естакади мають різноманітні системи: балочні, арочні, висячі. В балочних системах часто застосовують сталежеле-тонних балки, об'єднуючи сталеві головні балки прогонової будови із залізобетонною плитою проїзної частини для спільної роботи на вигин.
6. Вежі й щогли. Велику групу подібних конструкцій складають антенні пристрої для телебачення, радіомовлення та багатоканального телефонного зв'язку. При передачі середніх хвиль щогла висотою 200 ... 500 м може виконувати функції випромінювача. В інших випадках вежі і щогли служать для розміщення на певній висоті дротяної мережі або спеціальних антенних пристроїв.
Опори повітряних ліній електропередачі служать для передачі електроенергії по проводах, прикріпленим до опор через гірлянди ізоляторів. Для захисту від блискавки над проводами розміщують грозозахисні троси. Висока напруга електричного струму, переданого по проводах, вимагає значного видалення проводів один від одного і від землі, тому висота опор складає 20 ... 40 м, а при переході лінії через перешкоди може досягати 150 м і більше.
Витяжні вежі служать для підтримки газовідвідних стовбурів димових і вентиляційних труб. Висота вежі, обумовлена екологічними вимогами, зазвичай складає 80 ... 150 м, хоча є вежі висотою 600 м.
Вежі морських стаціонарних платформ для видобутку нафти і газу встановлюють на континентальному шельфі морів і океанів. Прикріплена за допомогою паль до морського дна вежа підтримує штучний острівець, на якому розміщені бурова вишка, майстерні, вертолітний майданчик, житлові приміщення та ін Це, як правило, унікальні споруди, що досягають глибин 200 ... 300 м і більше при ширині основи порядку 70 м. Гратчасту конструкцію такої вежі виконують з труб діаметром 2 ... 4 м при товщині стінок 60 ... 90 мм.
До баштовим конструкцій відносять також геодезичні вишки, промислові етажерки, надшахтні копри, бурові вишки та ін
7. Листові конструкції являють собою тонкостінні пластинки і оболонки різної форми.
Резервуари служать для зберігання нафтопродуктів, води, зріджених газів, кислот, спиртів та інших рідин. Застосовують резервуари різної форми та розмірів з об'ємом, що досягає 200 тис. м 3. Серед них вертикальні циліндричні, горизонтальні циліндричні та сферичні резервуари, резервуари з понтоном, з плаваючою дахом і багато інших.
Газгольдери призначені для зберігання, змішування і вирівнювання складу газів. Їх включають у газову мережу між джерелами отримання газу та його споживачами в якості своєрідних акумуляторів. Застосовують газгольдери постійного обсягу, у яких газ зберігають при високому тиску, і газгольдери змінного об'єму з зберіганням газу при низькому постійному тиску. Змінність обсягу забезпечують рухливими ланками або шайбою, яка, подібно до поршня в циліндрі, переміщається по стінці газгольдера. Місткість газгольдерів змінного об'єму досягає 600 тис. м 3.
Бункери та силоси представляють ємності, призначені для зберігання і перевантаження сипучих матеріалів. Силоси відрізняються від бункерів порівняно великим відношенням висоти до розмірів в плані. Групи бункерів звичайно поєднують у бункерні естакади. Застосовують бункера з плоскими стінками і гнучкі (висячі).
До листовим конструкцій відносять також трубопроводи великого діаметра, деякі споруди нафтопереробки, доменного та хімічного виробництв.
8. Інші види конструкцій. Це сталеві конструкції мостових, баштових, козлових кранів, кранів-перевантажувачів, відвальних мостів, великих екскаваторів, будівельних і дорожніх машин, затворів і воріт шлюзів гідротехнічних споруд, радіотелескопів, антен космічного зв'язку і ін
2.2 Переваги і недоліки сталевих конструкцій
Основними достоїнствами сталевих конструкцій в порівнянні з конструкціями з інших матеріалів є надійність, легкість, непроникність, індустріальність, а також простота технічного переозброєння, ремонту та реконструкції.
Надійність сталевих конструкцій забезпечується близьким відповідністю характеристик стали нашим уявленням про ідеальне пружному або пружнопластичної ізотропному матеріалі, для якого суворо сформульовані і обгрунтовані основні положення опору матеріалів, теорії пружності і будівельної механіки. Сталь має однорідну дрібнозернисту структуру з однаковими властивостями в усіх напрямках, напруги пов'язані з деформаціями лінійною залежністю у великому діапазоні, а за певного значення напруг може бути реалізована ідеальна пластичність у вигляді площадки плинності. Все це відповідає гіпотезам і допущенням, взятим за основу при розробці теоретичних передумов розрахунку, тому розрахунок, побудований на таких передумовах, повною мірою відповідає дійсній роботі сталевих конструкцій.
Легкість. З усіх виготовлених нині несучих конструкцій металеві є найбільш легкими. За показник легкості беруть відношення щільності матеріалу до його міцності. Найменше значення цей показник має для алюмінієвих сплавів і становить для сплаву Д16-Т 1,1-10 -4 м -1. Прийнявши його за одиницю, запишемо порівняльні дані для інших матеріалів: сталь - 1,5 ... 3,4, дерево - 4,9, бетон середнього класу
міцності - 16,8.
Порівнявши дві однакові конструкції, одна з яких виконана з алюмінієвого сплаву, а інша - з залізобетону, ви можете прийти до помилкового висновку, що за інших рівних умов залізобетонна конструкція буде приблизно в 16 разів важче. Насправді це не так і залізобетонна конструкція, особливо при великих прольотах, може виявитися більш важкою. Справа в тому, що конструкція несе як би два навантаження: корисну, для якої вона запроектована, і неминучий власну вагу. Наприклад, несуча здатність залізобетонної плити покриття типу ПНС розміром 3х6 м дорівнює 4 ... 4,5 кН / м 2, з них 1,3 ... 1,5 кН / м 2 (тобто 30%) припадає на власна вага плити. Сталева панель такого ж розміру, виготовлена з профільованого настилу і швелерів, при тій же несучої здатності буде мати частку власної ваги 0,45 ... 0,50 кг / м 2, що складає близько 10% від загального навантаження.
Індустріальність. Сталеві конструкції виготовляють на заводах, оснащених спеціальним обладнанням, а монтаж проводять з використанням високопродуктивної техніки. Все це виключає або до мінімуму скорочує важка ручна праця.
Ремонтопридатність. Стосовно до сталевих конструкцій найбільш просто вирішуються питання посилення, технічного переозброєння та реконструкції. За допомогою зварювання ви можете легко прикріпити до елементів існуючого каркаса нове технологічне обладнання, при необхідності підсиливши ці елементи, що також робиться досить просто.
Сохраняемост' металевого фонду. Сталеві конструкції в результаті фізичного та морального зносу вилучаються з експлуатації, переплавляються і знову використовуються в народному господарстві.
Недоліками сталевих конструкцій є їх схильність до корозії і порівняно мала вогнестійкість. Сталь, не захищена від контакту з вологою, в поєднанні з агресивними газами, солями, пилом піддається корозії. При високих температурах (для сталі - 600 ° С, для алюмінієвих сплавів - 300 ° С) металоконструкції втрачають свою несучу здатність.
При грамотному проектуванні і відповідної експлуатації ці недоліки не представляють небезпеки для виконання конструкцією своїх функцій, але призводять до підвищення початкових і експлуатаційних витрат.
Підвищення корозійної стійкості сталевих конструкцій досягають включенням в сталь спеціальних легуючих добавок, періодичним покриттям конструкцій захисним шаром у вигляді лаків або фарб, а також вибором раціональної конструктивної форми (без 'щілин і пазух, де можуть скупчуватися волога і пил).
Підвищення вогнестійкості сталевих конструкцій будівель, небезпечних у пожежному відношенні (житлові та громадські будівлі, склади з горючими або легкозаймистими матеріалами) здійснюють шляхом усунення безпосереднього контакту конструкцій з відкритим вогнем. Для цього передбачають підвісні стелі, вогнестійкі облицювання, обмазки спеціальними складами. Використовуючи спеціальні покриття у вигляді обмазок, можна істотно збільшити межу вогнестійкості.
2.3 Вимоги, що пред'являються до металевих конструкцій
При проектуванні металевих конструкцій повинні враховуватися такі основні вимоги.
Умови експлуатації. Задоволення заданим при проектуванні умов експлуатації є основною вимогою для проектувальника. Воно в основному визначає систему, конструктивну форму споруди і вибір матеріалу для нього.
Економія металу. Вимога економії металу визначається великій його потребою в усіх галузях промисловості (машинобудування, транспорт і т. д.) і відносно високою вартістю.
У будівельних конструкціях метал слід застосовувати лише в тих випадках, коли заміна його іншими видами матеріалів (в першу чергу залізобетоном) нераціональна.
Транспортабельність. У зв'язку з виготовленням металевих конструкцій, як правило, на заводах з наступним перевезенням на місце будівництва у проекті повинна бути передбачена можливість перевезення їх цілком плі по частинах (відправних елементів) із застосуванням відповідних транспортних засобів.
Технологічність. Конструкції повинні проектуватися з урахуванням вимог технології виготовлення я монтажу з орієнтацією на найбільш сучасні і продуктивні технологічні прийоми, що забезпечують максимальне зниження трудомісткості.
Швидкісний монтаж. Конструкція повинна відповідати можливостям збірки її в найменші терміни з урахуванням наявного монтажного обладнання.
Довговічність конструкції визначається термінами її фізичного і морального зносу. Фізичний знос металевих конструкцій пов'язаний головним чином з процесами корозії. Моральний знос пов'язаний зі зміною умов експлуатації.
Естетичність. Конструкції незалежно від їх призначення повинні мати гармонійними формами. Особливо суттєво це вимога для громадських будівель і споруд.
Всі ці вимоги задовольняються конструкторами на основі вироблених наукою і практикою принципів радянської школи проектування та основних напрямку її розвитку.
Основним принципом радянської школи проектування є досягнення трьох головних показників: економії стали, підвищення продуктивності праці при виготовленні, зниження трудомісткості і термінів монтажу, які і визначають вартість конструкції. Незважаючи на те що ці показники часто при реалізації вступають в протиріччя (так, наприклад, найбільш економна по витраті стали конструкція часто буває найбільш трудомісткою у виготовленні і монтажі), радянський досвід розвитку металевих конструкцій підтверджує можливість реалізації цього принципу.
Економія металу в металевих конструкціях досягається на основі реалізації наступних основних напрямків: застосування в будівельних конструкціях низьколегованих і високоміцних сталей, використання найбільш економічних прокатних і гнутих профілів, вишукування і впровадження в будівництво сучасних ефективних конструктивних форм і систем (просторових, попередньо напружених, висячих, трубчастих і т.п.), вдосконалення методів розрахунку і пошуки оптимальних конструктивних рішень з використанням електронно-обчислювальної техніки.
Ефективно і комплексно виробничі вимоги задовольняються на основі типізації конструктивних елементів і цілих споруд.
Типізація металевих конструкцій в Росії отримала дуже значне поширення. Розроблені типові рішення часто повторюваних конструктивних елементів-колон, ферм підкранових балок, віконних і ліхтарних палітурок. У цих типових рішеннях уніфіковані розміри елементів і сполученні. Для деяких елементів розроблено стандарти.
Розроблені типові рішення таких споруд, як радіощогли, башти, опори ліній електропередачі, резервуари, газгольдери, пролітні будови мостів, деякі види промислових будівель, споруд і т. п.
Типові рішення розроблені на основі застосування оптимальних з точки зору витрати матеріалу, розмірів елементів, оптимальної технології їх виготовлення ц можливостей транспортування.
Типізація і проведена на її основі уніфікація і стандартизація забезпечують велику повторюваність, серійність виготовлення конструктивних елементів і їх деталей на заводах і, отже, сприяють підвищенню продуктивності праці, скорочення термінів виготовлення на основі ефективного використання досконалішого устаткування і спеціальних технологічних пристосувань (кондукторів, копірів, кантувачів і т.п.). Типізація, уніфікація і стандартизація створюють сприятливі умови для розробки і впровадження особливо ефективного поточного методу виготовлення і монтажу металевих конструкцій.
Типові проекти забезпечують економію металу, впорядковують проектування, підвищують його якість і скорочують терміни будівництва.
Провідним принципом швидкісного монтажу є збирання конструкцій у великі блоки на землі з подальшим піднесенням їх в проектне положення з мінімальною кількістю монтажних робіт нагорі. Типізація створює передумови для скорочення термінів монтажу, зниження його трудомісткості, так як повторювані види конструкцій та їх сполученні дозволяють краще використовувати монтажне обладнання та вдосконалювати процес монтажу.
Конструкції з металу
3.1 Балки і балочні конструкції
Одним з найбільш поширених елементів сталевих конструкцій є балка або елемент, що працює на вигин.
Область застосування балок у будівництві надзвичайно широка: від невеликих елементів робочих майданчиків, міжповерхових перекриттів виробничих або цивільних будівель до великопрольотних балок покриттів, мостів, важко навантажених підкранових балок і так званих "хребтових" балок для підвіски котлів в сучасних теплових електростанціях. Прольоти мостових балок досягають 150 ... 200 м, а навантаження на одну хребтовую балку котельного відділення ГРЕС при прольоті до 45 м складає ~ 60 -10 3 кН.
3.1.1 Класифікація балок
За статичною схемою розрізняють однопрогонові (розрізні), багатопролітні (нерозрізні) та консольні балки. Розрізні балки простіше нерозрізних у виготовленні і монтажі, нечутливі до різних опадам опор, але поступаються останнім по витраті металу на 10 ... 12%. Нерозрізні балки розумно застосовувати при надійних підставах, коли немає небезпеки перевантаження балок внаслідок різкої різниці в осаді опор. Консольні балки можуть бути як розрізними, так і багатопрольотні. Консолі розвантажують прогонові перерізу балок і тим самим підвищують економічні показників чи останніх.
За типом перерізу балки можуть бути прокатними або складовими: зварними, клепаними або болтовими. У будівництві найбільш часто застосовують балки двотаврового перерізу. Вони зручні в компонуванні, технологічні і економічні по витраті металу.
Найбільший економічний ефект (при інших рівних умовах) може бути отриманий в тонкостінних балках. Хорошим критерієм відносній легкості згинаного елемента служить безрозмірне співвідношення η = 3 √ W 2 / A 3, де W - момент опору, А - площа перерізу.
Для прямокутного перерізу з шириною b і висотою h, якщо взяти для визначеності відношення h / b рівним 2 ... 6, цей показник становить 0,38 ... 0,55, а для вітчизняних прокатних двотаврів - 1,25 ... 1,45, тобто в прийнятих умовах двутавр в 3 ... 4 рази вигідніше простого прямокутного перерізу. Крім двутавра застосовують і інші форми перерізів. Так, при дії на балку значних крутних моментів краще застосування замкнутих, розвинених в бічній площині перерізів, приклади яких показані.
Економічна ефективність перерізів, таким чином, тісно пов'язана з їх тонкостенностью. Гранично можлива тонкостенностью прокатних балок визначається не тільки вимогами місцевої стійкості стінок, але й можливостями заводської технології прокатки профілів. Місцева стійкість стінок складових перетинів може бути підвищена конструктивними заходами (постановкою ребер жорсткості, гофрированием стінок і т.п.).
3.1.2 Прокатні балки
Прокатні балки застосовують для перекриття невеликих просторів конструктивними елементами обмеженою несучої здатності, що пов'язано з наявною номенклатурою прокатних профілів. Їх використовують в балочних клітинах; для перекриття індивідуальних підвалів, гаражів, складських приміщень; як прогонів покриттів виробничих будівель; в конструкціях естакад, віадуків, мостів та багатьох інших інженерних спорудах.
У порівнянні зі складовими прокатні балки більш металлоемки за рахунок збільшеної товщини стінки, але менш трудомісткі у виготовленні і більш надійні в експлуатації. За винятком опорних зон і зон докладання значних зосереджених сил, стінки прокатних балок не потрібно зміцнювати ребрами жорсткості. Відсутність зварних швів в областях контакту полиць із стінкою істотно зменшує концентрацію напруг і знижує рівень початкової дефектності.
3.1.3 Складові балки
У тих випадках, коли потрібні конструкції, жорсткість і несуча здатність яких перевищує можливості прокатних профілів, використовують складові балки. Вони можуть бути зварними і клепаними, але останні застосовують виключно рідко. Найбільше застосування отримали балки двотаврового симетричного, рідше несиметричного перетинів. Такі балки складаються з трьох елементів - верхнього та нижнього поясів, об'єднаних тонкою стінкою. Перспективними є перетину у вигляді двутврв, як полиці якого використовують прокатні таври і холодногнуті профілі.
3.1.4 Дистальні балки
Зниження металоємності може бути досягнуто за рахунок використання в одній конструкції двох різних марок сталей. Балки, виконані з двох марок сталей, називають бісталевого. У них доцільно найбільш напружені ділянки поясів виконувати зі сталі підвищеної міцності з R y = R y1 (низьколеговані сталі), а стінку і малонапружених ділянки поясів - з маловуглецевої сталі з R y = R y2.
У розрахунковому перетині такої балки при досягненні в фібрових волокнах поясів σ = R y1 у пов'язаної з поясів зоні стінки напруги досягнуто межі текучості σ w (y> | a |) = R y1. Центральна частина стінки і пояси знаходяться в пружній стадії, периферійні зони стінки - у пластичній (умови обмеженою пластичності).
Автори норм рекомендують при розрахунках міцності таких балок керуватися одним з двох критеріїв.
- Граничних пластичних деформацій: пластичні деформації допускаються не тільки в стінці, але і в поясах; вводиться обмеження на величину інтенсивності пластичних деформацій у стінці ε ip, w ≤> ε ip, lim.
- Граничних напружень у поясах балки: пластичні деформації допускаються лише в стінці; робота поясів обмежена пружною стадією σ ѓ ≤> R y1.
Залежно від норми граничної інтенсивності пластичних деформацій і розрахункового критерію, бісталевого балки класифікують за чотирма групами.
1. Підкранові балки під крани з режимом роботи 1К-5К (ГОСТ 25546-82), для яких розрахунки на міцність виконують за критерієм граничних напрузі в поясі при розрахунковому опорі стали поясів R ѓ = R u / γ u <R y, тут γ u = 1,3.
2. Балки, що сприймають рухливі і вібраційні навантаження (балки робочих майданчиків, бункерних і розвантажувальних естакад. Транспортерних галерей і ін), - ε ip, lim = 0.1%.
3. Балки, що працюють на статичні навантаження (балки перекриттів і покриттів; ригелі рам, фахверка і інші згинальні, розтягнуто-згинальні і стиснуто-згинальні балкові елементи), - ε ip, lim = 0,2%.
4. Балки групи 3, але не підвладні локальним впливів, що не мають поздовжніх ребер жорсткості, що володіють підвищеною загальної та місцевої стійкістю, - ε ip, lim = 0,4%.
У групи 2 ... 4 об'єднані балки, для яких розрахунки на міцність виконують за критерієм обмежених пластичних деформацій.
3.1.5 Балки замкнутого перетину
Балки замкнутого перетину мають ряд переваг в порівнянні з відкритими. До них відносяться:
- Більш висока несуча здатність конструкцій або їх елементів при роботі на вигин у двох площинах і на кручення. Матеріал у замкнутих перетинах розташовується в основному в периферійних зонах по відношенню до центру тяжіння, це обумовлює збільшення моментів інерції та опору відносно осі у (з площини елемента) та моменту інерції на кручення;
- Зважаючи на істотне збільшення (у десятки разів) моменту інерції на кручення в елементах із замкнутими перерізами, як правило, виключається згинально-крутильних форма втрати стійкості;
- Елементи з замкнутими перерізами більш стійкі при монтажі, менш схильні до механічних пошкоджень під час транспортування і монтажу.
Незважаючи на названі гідності, конструктивні елементи з замкнутими перерізами не знайшли в даний час широкого застосування. І пояснюється це передусім низькою технологічністю і, як наслідок, більшою трудомісткістю виготовлення.
Конструктивні рішення
Замкнені, зокрема коробчаті, перерізу застосовують при необхідності збільшення жорсткості балок в поперечному напрямку, за відсутності поперечних зв'язків, згині в двох площинах наявності крутних моментів, при обмеженій будівельної висоті і великих поперечних силах. Подібним силових дій при названих конструктивних обмеженнях піддаються балкові конструкції мостів, силових елементів промислових споруд, кранів та ін Можливі форми перерізу балок представлені на.
Наявність двох стінок робить особливо актуальним завдання зменшення їх товщини при забезпеченні місцевої стійкості. Конструктивно це досягається або викривленням стінки, або постановкою різного типу зв'язків між стінками у формі діафрагм, стяжних болтів і ін
Діафрагми мають форму пластинки, а при сильно розвиненому перерізі - форму рамки з прямокутним або овальним вирізом. У кутах діафрагми мають скоси такі ж, як і в ребрах жорсткості балок відкритого профілю. Для більш рівномірного розподілу навантаження між елементами перетину і підвищення просторової жорсткості можливо використовувати раскосную систему розташування діафрагм з відхиленням діафрагм на 30 ... 600 від вертикалі або горизонталі. Проте слід мати на увазі, що трудомісткість виготовлення діафрагм з нахилом значно вище, ніж вертикальних. Натомість діафрагм для підвищення місцевої стійкості стінки можна використовувати зв'язки між стінками у вигляді вкладишів зі стяжними болтами. У цьому випадку за рахунок додаткових зв'язків між стінками створюється просторова система, обидві стінки якої працюють спільно, тому при розрахунку з площини балки стінку слід розглядати як складову конструкцію.
З метою економії стали, так само як і в балках відкритого профілю, в балках коробчатого перерізу при великих прольотах слід передбачати зміну перерізу по довжині балки.
3.1.6 Балки з гнучкою стінкою
Балки з гнучкою (дуже тонкої) стінкою з'явилися вперше в конструкціях каркасів літальних апаратів, де для легкості стінки виконували найчастіше не з металу, а з міцної тканини (перкаль, брезент). Плоска стінка в такій балці втрачає стійкість у початковій стадії навантаження, набуваючи другу стійку форму - у вигляді похило гофрованої (біля опор, де переважає зрушення) або вспорушенной (у зонах з переважаючими напругами стиску) поверхні. Після зняття навантаження ці деформації стінок, звані часто "хлопунамі", зникають. У будівництві почали застосовувати такі балки в 70-ті роки нинішнього століття. Вони є подальшим втіленням ідеї про тісний зв'язок показників економічної ефективності з поняттям тонкостінні. Зменшення відносної товщини стінки λ w = h w / t w в 2 ... 3 рази призводить до зниження витрати металу на стінку на 25 ... 35% і до концентрації металу в поясах, що вигідно за умовами роботи на вигин.
Застосування балок з дуже тонкими стінками доречно при стабільному напрямку дії статичних тимчасових навантажень, оскільки робота таких балок при змінних у напрямку рухливих і динамічних навантаженнях ще недостатньо вивчена.
Особливості роботи конструкції балок. На першій стадії роботи балки її гнучка стінка залишається плоскою, як і в звичайній балці. Але по протяжності ця стадія роботи коротке і закінчується втратою стійкості стінки, тобто переходом у закритичній стадію роботи з появою "хлопунов".
У закритичній стадії роботи вже не дотримується лінійна залежність між деформаціями стінки і навантаженням. Розвиваються зони витріщення стінки з утворенням розтягнутих складок, натягнення яких викликає місцевий вигин поясів балки, а також стиснення поперечних ребер жорсткості і вигин опорних ребер у площині стінок. Ця стадія завершується досягненням напругами межі текучості σ y або в окремих точках стінки, або в зонах (чи одночасно).
У третій стадії розвиваються пластичні деформації в стінці і в поясах. Наростає прогин балки; інтенсивність росту прогину до кінця цієї стадії різко підвищується і у відсіках балки утворюється пластичний механізм - балка приходить в граничний стан з появою надмірних залишкових деформацій. При подальшому, навіть незначному, зростанні навантаження балка втрачає несучу здатність або внаслідок втрати місцевої стійкості полиці стиснуто-вигнутого пояса, або із-за втрати стійкості поясу в площині стінки, як стрижня, від дії стискає сили і згинального моменту. Не виключена і загальна втрата стійкості плоскої форми вигину балки, якщо остання не раскреплена належним чином від бічних деформацій. Відзначимо також, що описані форми втрати стійкості пояса балки можуть відбутися й не в кінці третьої стадії, а навіть і на попередніх стадіях, якщо розміри елементів пояса обрані невдало.
Врахування особливостей роботи балок з гнучкими стінками привів до необхідності розробки адекватних рекомендацій щодо їх конструктивних рішень. Можливе застосування балок: з поперечними ребрами, привареними до стінки - двосторонніми і односторонніми, або не пов'язаними з нею; без поперечних ребер. Безреберние балки вимагають суворо центрованого програми навантаження в площині стінки, бо пояса їх практично не закріплені від закручування.
Більш часто застосовують балки з ребрами жорсткості, що мають призначення, як і в звичайних балках, для сприйняття місцевих навантажень від другорядних балок і для обмеження довжини відсіку. У роботі ребер, підкріплюють гнучкі стінки, є і свої особливості, зумовлені роботою стінок у закритичній стадії.
Пояси у балках з гнучкими стінками працюють не тільки на стиск, але і на вигин від натягу стінки, тому доцільно застосовувати перетину поясів з підвищеною жорсткістю на вигин і крутіння. За технологічності більш кращі перетину з поясами зі смугової сталі і широкополочні таврів; при значних навантаженнях можливе застосування поясів з прокатних або гнутих швелерів або з-подiбнi. Перерізу балок з підвищеним обсягом зварювання поступаються іншим по трудомісткості виготовлення.
За статичною схемою балки з гнучкою стінкою можуть бути розрізними й нерозрізними, а за обрисами - постійною або змінною висоти (двосхилі або односхилі). Застосовують такі балки в якості прогонів, кроквяних і підкроквяних конструкцій прольотом 12 ... 36 м з співвідношенням постійних і тимчасових навантажень 1 / 1, 5 ... 1 / 2, балок жорсткості комбінованих балочної-вантових систем, балок-стінок бункерів, стінок великогабаритних вентиляційних коробів, газоводами і т. п.
3.1.7 Балки з гофрованою стінкою
Одним із шляхів зниження металоємності балок є гофрування їх стінок. У звичайних балках товщина стінок, як правило, визначається не умовою міцності, а вимогами місцевої стійкості. Постанова поперечних ребер пом'якшує ситуацію, дозволяючи зменшити товщину стінок і одночасно підвищуючи крутильне жорсткість балок, так як ребра відіграють роль діафрагм і забезпечують незмінність контуру поперечного перерізу. Ще в середині 3-го десятиліття XX ст. з'явилася ідея гофрування стінок балок, яке ще більш ефективно забезпечить бажані результати. Гнучкість таких стінок можна підвищити до 300 ... 600, до того ж чим тонше стінка, тим легше виконати її гофрування.
Товщину гофрованих стінок приймають у межах 2 ... 8 мм, що забезпечує їм всі переваги, які визначаються тонкостенностью. У виготовленні стінок з'являється додаткова технологічна операція - гофрування - і дещо ускладнюється зварювання поясних швів, але зменшення товщини стінки і виключення значної кількості ребер жорсткості приводять в кінцевому результаті призведе до зниження трудовитрат на виготовлення балок на 15 ... 25%. По трудомісткості виготовлення і витраті металу балки з гофрованою стінкою виграють і у балок із гнучкою стінкою завдяки різкому зниженню кількості ребер жорсткості, підвищеної крутильного жорсткості балок і високої місцевої стійкості стінки.
При виборі конструктивного рішення балки з гофрованою стінкою доводиться враховувати не тільки особливості напружено-деформованого стану балки під навантаженням, а й вимоги технологічності. Найбільш прості і технологічні у виготовленні стінки з трикутними гофрами, але стінки з хвилястими гофрами більш стійкі. Практикується і застосування смуг з готового профнастилу.
Виготовлення балок з гофрованою стінкою доцільно вести на заводах металоконструкцій, організовуючи там спеціальні ділянки з пресами чи іншими установками для гофрування і стендами для зварювання поясних швів. Зварювальні автомати повинні бути пристосовані для переміщення по ламаним і хвилястим лініях примикання гофрованої стінки до поясу. Плоский лист подається між двома валками, що обертаються назустріч один одному. На поверхні валків передбачені пристрої для закріплення знімних пластин, які здійснюють перегини плоского листа при повороті валків. Використання знімних пластин різних розмірів дає можливість варіювати параметри гофрів. Для створення криволінійних гофрів потрібні складніші знімні елементи. Хвилясті гофри можна отримати і пресуванням пластин між двома матрицями, але для варіювання параметрів гофрів в цьому випадку потрібно досить великий набір матриць.
Особливості роботи і конструкції балок. Вже перші випробування балок з гофрованими стінками виявили особливості напруженого стану стінок і поясів: нормальні напруги розвиваються в стінках лише у поясів і швидко падають практично до нуля, оскільки жорсткість тонкої стінки поперек гофрів дуже мала; дотичні ж напруги розподіляються по висоті стінки майже рівномірно. Жорстко пов'язані з поясом гофри передають на нього зусилля, викликаючи в поясі змінний по величині і напрямку вигин у його площині.
Балки з гофрованою стінкою довше працюють в пружній стадії, ніж балки з гнучкою стінкою тієї ж товщини, аж до втрати стійкості стінки як ортотропної пластинки. Пояси балок з гофрованою стінкою також працюють в кращих умовах, оскільки вони не відчувають вигину в площині стінки. Деформативність балок з гофрованою стінкою на 15 ... 20% нижче, ніж у балок із гнучкою стінкою з тими ж параметрами.
Граничний стан балки з гофрованою стінкою, як правило, настає з втратою місцевої стійкості стінки під дією місцевих зосереджених сил, якщо не встановлені ребра жорсткості під ними. У стінках з трикутними гофрами, що працюють на зсув, спочатку втрачає стійкість плоска смужка гофра, потім втрата стійкості поширюється на кілька гофрів, що можна вважати втратою стійкості стінки як ортотропної пластинки. Після цього пояс втрачає стійкість у площині стінки так само. як і в балці з гнучкою стінкою. У балках з досить жорсткими гофрованими стінками граничний стан може настати через розвиток надмірних залишкових деформацій (друга група граничних станів). Властивості гофра визначаються товщиною стінки і геометричними параметрами гофрування - довжиною хвилі а і висотою хвилі ѓ. У розрахунковій практиці частіше використовують відносні параметри a / h w, ѓ / a і ѓ / t w. Місцева стійкість гофрованих стінок балок може бути підвищена, якщо замість вертикального гофрування застосувати похиле зі спадними гофрами. Оптимальний кут нахилу гофрів до верхнього поясу дорівнює 45 ... 50 °. Проте виготовлення таких стінок ускладнюється і, як наслідок, балки з похило гофрованими стінками широкого застосування не знайшли. Але треба мати на увазі, що гофри можуть бути не тільки відкритими (коли перетин гофра виходить на край листа), але і глухими, тобто виштампуваними в стінці, не виходять на край листа. Не виключена можливість гофрування тонких стінок у готовому виробі, а отже, можливе застосування глухих похилих гофрів.
Балки з гофрованими стінками проектують звичайно двотаврового перерізу з поясами з листів, причому тут не потрібна підвищена жорсткість поясів на вигин і крутіння (на відміну від балок із гнучкою стінкою); перетин поясів може бути досить розвиненим по ширині і змінним по довжині відповідно до обрисом епюри згинальних моментів, що забезпечує додаткову економію металу.
Область застосування балок з гофрованою стінкою ширше, ніж балок із гнучкою стінкою: вони застосовні в підкранових конструкціях і в усіх інших випадках, коли потрібна підвищена жорсткість балок на кручення.
3.1.8 Балки з перфорованою стінкою
Прагнення підвищити ефективність використання металу в роботі згинальних елементів призвела інженерів ще в перших десятиліттях XX ст. до оригінальної ідеї, що дозволяє розширити діапазон використання прокату. Стінка прокатного двутавра (швелера) розрізається по зигзагоподібної ламаної лінії з регулярним кроком за допомогою газового різання або на потужних пресах, і потім обидві половини розрізаної балки з'єднуються зварюванням у суміщених між собою виступах стінки. Кінцевий результат призводить до збільшення висоти балки і дозволяє перерозподілити матеріал перерізу, концентруючи його ближче до периферійних волокнам (полкам) і істотно підвищуючи такі геометричні характеристики перерізу, як момент інерції і момент опору. Утворюється своєрідна конструктивна форма - балка з вікнами у стінці.
Зміна висоти вихідного перерізу в півтора рази підвищує приблизно в стільки ж його момент опору і майже вдвічі-момент інерції. Маловикористовувані частина перерізу стінки в центральній зоні як би вилучається (35 ... 40% матеріалу стінки), що для більшості балок не представляє якої-небудь небезпеки. Витрата металу в таких балках на 20 ... 30% менше, ніж у звичайних прокатних балках, при одночасному зниженні вартості на 10 ... 18%. Додаткові витрати праці на розрізання та зварювання вихідного прокату невеликі: у порівнянні із зварними складовими двутаврах по трудомісткості виготовлення перфоровані балки на 25 ... 35% ефективніше за рахунок скорочення обсягу зварювання і значно меншій трудомісткості операцій обробки.
Особливості роботи і конструкції балок. Отвори в стінці міняють картину напруженого стану в перерізах балки. Якщо розподіл нормальних напружень в поясах балки по середині отвори близько до лінійного, то в кутових зонах у отворів епюри нормальних напружень криволінійних, що викликано концентрацією напружень. Деяка криволінійність епюри нормальних напружень σ x спостерігається і в зоні перемички стінки (простінка). У стиковому перерізі (4-4) простінка з'являються нормальні напруги σ y. Все це свідчить про концентрацію напружень біля отворів. У більшості випадків резерви пластичності матеріалу достатні для того, щоб згладити вплив концентраторів напружень, і на несучу здатність балки останні не надають помітного впливу. Проте слід мати на увазі, що при циклічних або ударних впливах, особливо в умовах низьких температур, коли розвиток пластичних деформацій сковано, у кутах отворів можуть з'явитися тріщини. У роботі поясних таврів у межах отвору є свої особливості - вони знаходяться під дією поперечних сил, що створюють додатковий вигин. Граничний стан поясу характеризується значним розвитком пластичних деформацій, які пронизують в кута отвору практично весь переріз поясного тавра. Простінок балки працює головним чином на зрушення, і його несуча здатність, як правило, визначається стійкістю. У граничному стані може втратити стійкість і стінка одного з поясних таврів, оскільки вона виявляється стислій або стисло-вигнутої.
Конструктивні рішення балок з перфорованою стінкою відрізняються великою різноманітністю, визначеним варіабельністю схем розрізання стінки.
Позначивши осьову лінію розрізання похило до полиць після розрізання та розвороту однієї з половин балки відносно її центральної вертикальної осі, одержують у результаті з'єднання обох половин балку з похилим поясом. Таким шляхом можна виготовити балки одне - і двосхилі, з ухилом як у верхньому, так і в нижньому поясі. Для спрощення конструкції іноді в якості нижнього пояса використовується тавр постійного по довжині перетину. Прагнення підвищити розтин при помірному ослабленні поясних таврів і простінків призвело до використання пластинчастих вставок між гребенями з'єднуються частин. Це рішення може також виявитися високоефективним при значних прольотах і відносно невеликий навантаженні, особливо в тих випадках, коли потрібна підвищена згинальна жорсткість за умовою граничного прогину. Отвори, що знижують концентрацію напруг, вдається отримати при криволінійних похилих резах. Разрезку виконують у цьому випадку з невеликими відходами металу. Відомо також багато інших варіантів розрізання стінок, які мають ті чи інші приватні переваги.
Найбільш часто застосовують перфоровані балки з регулярною розрізанням і однаковою висотою поясних таврів (балки симетричного перерізу). Для таких балок дуже зручно використовувати типову потокову лінію, розраховану на одночасну синхронну автоматичну разрезку по копіру двох вихідних двотаврів. Двутаври закріплюють на спеціальному багатоопераційним маніпуляторі, що дозволяє після розрізання за допомогою двухрезаковой машини з'єднати однакові частини розчленованих балок між собою, зберігаючи фіксацію форми під час зварювання і після неї - до охолодження готового виробу. Це дає можливість уникнути жолоблення від впливу початкових і зварювальних напруг і деформацій. При цьому кінці балок виходять різними: з одного боку на кінці балки створюється простінок, а з іншого боку стінка виявляється відкритою. Відкриту частину заповнюють вставкою з листової сталі. Цей же прийом (заповнення отвору листової вставкою) застосовують іноді й у місцях обпирання значних зосереджених вантажів, коли вони розташовані над отворами. Для посилення стінки під великими зосередженими вантажами та в опор балки ставлять поперечні або торцеві опорні ребра.
3.2 Колони і елементи стрижневих конструкцій
Загальна характеристика конструкцій
Колона є найдавнішою будівельною конструкцією. Більше 3000 років тому єгиптяни витісували з каменю колони для надгробних пам'ятників, а в V ст. до н.е. колона зайняла центральне місце в Колонадах громадських будівель у стародавніх греків і римлян. Такі колони споруджувалися виключно за емпіричними правилами, запозиченим з навколишнього світу.
Науковий підхід до вивчення проблеми роботи стиснутих конструкцій було розпочато у XVIII ст., Коли Петрус Ван-Мусшенбрук побудував установку для випробувань на стиск, а Леонард Ейлер отримав свою знамениту формулу, до якої ми будемо неодноразово звертатися. Було встановлено, що несуча спроможність центрально-стиснутого стержня обернено пропорційна квадрату його довжини, тобто у два рази довший стрижень несе в чотири рази менше навантаження. На жаль, формула Ейлера, що містить довільне ціле число, якому в той час не могли знайти пояснення, а також слабке відповідність цієї формули експериментальним даним (як ми сьогодні знаємо, погано обгрунтованим) призвели до її забуттю майже на 200 років. Лише в кінці минулого століття ця формула отримала загальне визнання і подальший розвиток, яке тривало на тлі гострих дискусій до середини нашого століття. З істотою цих дискусій ми познайомимося пізніше, а зараз розглянемо лише коротку характеристику конструкцій, що працюють на стиск.
Колони, стійки, стріли кранів і інші поздовжньо стислі конструкції з точки зору їх розрахунку мають спільні риси з окремими елементами, що входять до складу інших конструкцій або стрижневих систем, наприклад зі стрижнями ферм, елементами зв'язків тощо Це дозволяє їх розглядати в складі однієї голови, але з різним ступенем деталізації. При всьому різноманітті такі конструкції мають спільні формальні ознаки - всі вони працюють на стиск або на стиск з вигином, а їх довжина в 10 ... 20 разів і більше перевищує розміри поперечних перерізів. Конструкція складається з власне стрижня і опорних пристроїв, технічні рішення яких залежать від призначення конструкції та особливостей, вузлових сполученні.
За формою силуету конструкції можуть бути постійного перерізу, змінного перерізу і ступінчастими. Зміна перерізу по довжині дозволяє знизити металоємність, але незначно, тому такі стрижні проектують з архітектурних міркувань або коли зниження маси приводить до додаткових ефектів, наприклад у рухливих конструкціях типу кранових стріл.
Типовими представниками стиснутих стержневих конструкцій є колони та стійки, що складаються з стрижня, оголовка, бази, іноді консолі. Оголовок служить для спирання та кріплення верхніх конструкцій. База виконує дві функції - розподіляє зусилля, що передається колоною на фундамент, знижуючи напругу до розрахункового опору фундаменту, і забезпечує прикріплення до нього колони за допомогою анкерних болтів. На консолі можуть спиратися підкранові балки, стінові панелі, технологічні комунікації і т. п.
Потужні стрижні типу колон, стійок, елементів важких ферм виконують з поодиноких-подiбнi або складають їх з декількох прокатних профілів. Складові стрижні можуть бути суцільностінчатих - суцільними - і наскрізними.
Останні в свою чергу ділять на стрижні з безраскосной гратами, гратчасті і перфоровані. Гілки (пояси) безраскосних стрижнів об'єднують планками з листової сталі, жорсткими вставками або перфорованими аркушами. Перфоровані стрижні можуть бути виконані також гнутозварних з зигзагоподібно розрізаних листів або з прокатних профілів, які після попередньої фігурного різання об'єднують у хрестоподібне розтин. При всій своїй привабливості перфоровані стрижні знаходять обмежене застосування, що пов'язано з додатковими операціями і необхідністю мати обладнання для фігурного різання та згинання заготовок у формі гнутих швелерів або куточків. При виготовленні стійок з перфорованих прокатних профілів необхідні операції правки, так як після різання вихідного профілю отримані заготовки згинаються в різні сторони внаслідок наявності у вихідному металопрокаті залишкових напружень.
Елементи стрижневих конструкцій невеликих поперечних розмірів проектують з круглих або прямокутних труб, одиночних або спарених куточків.
По виду напруженого стану стрижні ділять на центрально-стислі, відцентрово стиснуті і стиснуто-згинальні. Аналогічну класифікацію використовують для найменування розтягнутих елементів.
3.3 Ферми
Загальна характеристика і класифікація ферм
Фермою називають систему стрижнів (зазвичай прямолінійних), з'єднаних між собою у вузлах і утворюють геометрично незмінну конструкцію.
Якщо навантаження прикладена в вузлах, а осі елементів ферми перетинаються в одній точці (центрі вузла), то жорсткість вузлів несуттєво впливає на роботу конструкції і в більшості випадків їх можна розглядати як шарнірні. Тоді всі стрижні ферми відчувають тільки осьові зусилля (розтягнення або стиснення). Завдяки цьому метал для ферм використовується більш раціонально, ніж у балках, і вони економічніше балок по витраті матеріалу, але більш трудомісткі у виготовленні, оскільки мають велике число деталей. Зі збільшенням перекриваються прольотів і зменшенням навантаження ефективність ферм в порівнянні до суцiльностiнчастих балками зростає.
Сталеві ферми отримали широке поширення в багатьох областях будівництва: в покриттях і перекриттях промислових і цивільних будинків, мостах, опорах ліній електропередачі, об'єктах зв'язку, телебачення і радіомовлення (вежі, щогли), транспортерних галереях, гідротехнічних затворах, вантажопідіймальних кранів і т.д.
Ферми бувають плоскими (всі стрижні лежать в одній площині) і просторовими.
Плоскі ферми можуть сприймати навантаження, прикладене тільки в їх площині, і потребують закріплення зі своєї площині зв'язками чи іншими елементами. Просторові ферми утворюють жорсткий просторовий брус, здатний сприймати навантаження, що діє в будь-якому напрямку. Кожна грань такого бруса представляє собою плоску ферму. Прикладом просторового бруса може служити баштова конструкція.
Основними елементами ферм є пояса, що утворюють контур ферми, і грати, що складається з розкосів і стояків.
Відстань між вузлами поясу називають панеллю (d), відстань між опорами - прольотом (l), відстань між осями (або зовнішніми гранями) поясів - висотою ферми (h ф).
Пояси ферм працюють в основному на поздовжні зусилля і момент (аналогічно поясів суцільних балок); грати ферм сприймає в основному поперечну силу, виконуючи функцію стінки суцільний балки.
З'єднання елементів у вузлах здійснюють шляхом безпосереднього примикання одних елементів до інших або за допомогою вузлових фасонок. Для того щоб стрижні ферм працювали в основному на осьові зусилля, а впливом моментів можна було знехтувати, елементи ферм слід центрувати по осях, що проходить через центри тяжкості.
Залежно від призначення, архітектурних вимог і схеми прикладання навантажень ферми можуть мати найрізноманітнішу конструктивну форму. Їх можна класифікувати за такими ознаками: статичною схемою, обрису поясів, системі грати, способу з'єднання елементів у вузлах, величині зусилля в елементах.
За статичною схемою ферми бувають: балкові (розрізні, нерозрізні, консольні), арочні, рамні і вантові.
У покриттях будівель, мостах, транспортерних галереях та інших подібних спорудах найбільше застосування знайшли балкові розрізні системи. Вони прості у виготовленні і монтажі, не вимагають пристрою складних опорних вузлів, але вельми металлоемки. При великих прольотах (більше 40 м) розрізні ферми виходять негабаритними і їх доводиться збирати з окремих елементів на монтажі. При числі перекриваються прольотів два і більше застосовують нерозрізні ферми. Вони економічніше по витраті металу і володіють більшою жорсткістю, що дозволяє зменшити їх висоту. Але як у всяких зовні статично невизначених системах, в нерозрізних фермах при осаді опор виникають додаткові зусилля, тому їх застосування при слабких просадних підставах не рекомендується. Крім того, необхідність створення нерозрізності ускладнює монтаж таких конструкцій. Консольні ферми використовують для навісів, башт, опор повітряних ліній електропередач. Рамні системи економічні по витраті стали, мають менші габарити, проте більш складні при монтажі. Їх застосування раціонально для великопрольотних будівель. Застосування арочних систем, хоча і дає економію сталі, призводить до збільшення об'єму приміщення і поверхні огороджувальних конструкцій. Їх застосування диктується в основному архітектурними вимогами. У вантових фермах всі стрижні працюють тільки на розтягування і можуть бути виконані із гнучких елементів, наприклад сталевих тросів. Розтягування всіх елементів таких ферм досягається вибором обриси поясів і решітки, а також створенням попереднього напруження. Робота тільки на розтяг дозволяє повністю використовувати високі міцнісні властивості сталі, оскільки знімаються питання стійкості. Вантові ферми раціональні для великопрольотних перекриттів і в мостах. Проміжними між фермою і суцільний балкою є комбіновані системи, що складаються з балки, підкріпленої знизу шпренгелем або розкосами, або зверху аркою. Підкріплювальні елементи зменшують згинальний момент в балці і підвищують жорсткість системи. Комбіновані системи прості у виготовленні (внаслідок меншого числа елементів) і раціональні у важких конструкціях, а також в конструкціях з рухомими навантаженнями. Вельми ефективним є застосування комбінованих систем для підсилення конструкцій, наприклад, підкріплення балки, при недостатній її несучої здатності, шпренгелем або підкосами.
У залежності від обриси поясів ферми поділяють на сегментні, полігональні, трапецеїдальних, з паралельними поясами і трикутні.
Обрис поясів ферм в значній мірі визначає їх економічність. Теоретично найбільш економічної по витраті сталі є ферма, окреслена по епюрі моментів. Для однопрогоновою балочної системи з рівномірно розподіленим навантаженням це буде сегментна ферма з параболічним поясом. Однак криволінійне обрис пояса підвищує трудомісткість виготовлення, тому такі ферми в даний час практично не застосовують.
Більш прийнятним є полігональне обрис з переломом пояси в кожному вузлі. Воно досить близько відповідає параболическому обрису епюри моментів, не потребує виготовлення криволінійних елементів. Такі ферми іноді застосовують для перекриття великих прольотів і в мостах, тобто в конструкціях, що поставляються на будівельний майданчик "розсипом" (з окремих елементів). Для ферм покриттів звичайних будинків, що поставляються на монтаж, як правило, у вигляді укрупнених відправних елементів внаслідок ускладнення виготовлення ці ферми в даний час не застосовують. Ви їх можете зустріти тільки в старих спорудах, побудованих до 50-х років.
Ферми трапецеідального обриси, хоча і не зовсім відповідають епюрі моментів, мають конструктивні переваги, перш за все за рахунок спрощення вузлів. Крім того, застосування таких ферм в покритті дозволяє влаштувати жорсткий рамний вузол, що підвищує жорсткість каркаса.
Ферми з паралельними поясами за своїм обрисом далекі від епюри моментів і по витраті стали не економічні. Однак рівні довжини елементів решітки, однакова схема вузлів, найбільша повторюваність елементів і деталей і можливість їх уніфікації сприяє індустріалізації їх виготовлення. Завдяки цим перевагам ферми з паралельними поясами стали основними для покриття будівель.
Ферми трикутного обриси раціональні для консольних систем, а також для балкових систем при зосередженої навантаженні в середині прольоту (підкроквяні ферми). При розподіленому навантаженні трикутні ферми мають підвищений витрата металу. Крім того, вони мають ряд конструктивних недоліків. Гострий опорний вузол складний і допускає тільки шарнірне пару з колонами. Середні розкоси виходять надзвичайно довгими, і їх перетин доводиться підбирати по граничної гнучкості, що викликає перевитрата металу. Проте у ряді випадків їх застосування для кроквяних конструкцій диктується необхідністю забезпечення великого (понад 20%) ухилу покрівлі або вимогами створення одностороннього освітлення (шедові покриття).
Системи решітки
Вибір типу решітки залежить від схеми прикладання навантажень, обриси поясів і конструктивних вимог. Так, щоб уникнути вигину пояса місця прикладання зосереджених навантажень слід підкріплювати елементами решітки. Для забезпечення компактності вузлів кут між розкосами і поясом бажано мати в межах 30 ... 50 °.
Для зниження трудомісткості виготовлення ферма повинна бути по можливості простий з найменшим числом елементів і додаткових деталей.
Трикутна система решітки має найменшу сумарну довжину елементів і найменша кількість вузлів. Розрізняють ферми з висхідними і спадними опорними розкосами. Якщо опорний Розкіс йде від нижнього опорного вузла ферми до верхнього поясу, то його називають висхідним. При направленні розкосу від опорного вузла верхнього пояса до нижнього - низхідним. У місцях прикладання зосереджених навантажень (наприклад, в місцях обпирання прогонів покрівлі) можна встановити додаткові стійки або підвіски. Ці стійки служать також для зменшення розрахункової довжини пояса. Стійки і підвіски працюють тільки на місцеве навантаження.
Недоліком трикутної решітки є наявність довгих стислих розкосів, що вимагає додаткової витрати сталі для забезпечення їх стійкості.
У співпрацівники системі грати все розкоси мають зусилля одного знака, а стійки - іншого. Так, в фермах з паралельними поясами при висхідному розкосі стійки розтягнуті, а розкоси стиснуті; при низхідному - навпаки. Очевидно, при проектуванні ферм слід прагнути, щоб найбільш довгі елементи були розтягнуті, а стиснення сприймалося короткими елементами. Співпрацівники грати більш металомістких і трудомістка в порівнянні з трикутною, так як загальна довжина елементів решітки більше і в ній більше вузлів. Застосування співпрацівники решітки доцільно при малій висоті ферм і великих вузлових навантаженнях.
Шпренгельних грати застосовують при внеузловом додатку зосереджених навантажень до верхнього поясу, а також при необхідності зменшення розрахункової довжини пояса. Вона більш трудомістка, але в результаті виключення роботи поясу на вигин і зменшення його розрахункової довжини може забезпечити зниження витрати сталі.
Якщо навантаження на ферму може діяти як в одному, так і в іншому напрямку (наприклад, вітрове навантаження), то доцільно застосування хрестової решітки. Розкоси таких грат можуть бути виконані із гнучких елементів. У цьому випадку стислі розкоси внаслідок великої гнучкості вимикаються з роботи і грати працює як співпрацівники з розтягнутими розкосами і стислими стійками.
У фермах з поясами з таврів можна застосувати перехресну грати з поодиноких кутиків з кріпленням розкосів безпосередньо до стінки тавра.
Ромбічна і напіврозкісних решітки завдяки двом системам розкосів володіють великою жорсткістю; ці системи застосовують у мостах, баштах, щоглах, зв'язках для зменшення розрахункової довжини стрижнів. Вони раціональні при великій висоті ферм і роботу конструкцій на значні поперечні сили.
Можлива в одній фермі комбінація різних типів грат.
За способом з'єднання елементів у вузлах ферми поділяють на зварні і болтові. У конструкціях, виготовлених до 50-х років, застосовувалися також клепані з'єднання. Основними типами ферм є зварні. Болтові з'єднання, як правило, на високоміцних болтах застосовують в монтажних вузлах.
За величиною максимальних зусиль умовно розрізняють легкі ферми з перерізами елементів з простих прокатних або гнутих профілів (при зусиллях в стержнях N <3000кН) і важкі ферми з елементами складеного перерізу (N> 3000кН).
Ефективність ферм може бути підвищена при створенні в них попереднього напруження.
З усього різноманіття ферм в цьому посібнику розглянуті тільки легкі розрізні балкові ферми, що мають найбільш широке застосування
3.4 Технологічні площадки
3.4.1 Загальні відомості. Класифікація
Майданчики призначені для розміщення технологічного обладнання, організації його обслуговування, ремонту і складаються з несучих балок, настилу, сходів і огорожі. У залежності від величини корисного навантаження і призначення майданчики поділяють на три групи.
1. Майданчики під важкий стаціонарне обладнання і рухому навантаження (робоча майданчик сталеливарних і ливарних цехів, головних корпусів ТЕЦ тощо) з корисним навантаженням р> 20 кН / м 2.
2. Ремонтні майданчики ходових коліс кранів, майданчики під транспортери, трубопроводи, вентилятори з р = 4 ... 20 кН / м 2.
3. Посадкові майданчики на опорні (мостові) і підвісні крани, оглядові майданчики з корисним навантаженням р = 2,0 ... 4,0 кН / м 2.
Майданчики першої групи виконують у вигляді самостійних вбудованих в будівлю споруд. Такі майданчики спираються на окремі колони, сітка яких зазвичай кратна модулю, прийнятому в будівництві (М = 6 м або рідше 3 м). По колонах встановлюють систему несучих балок (балочную клітину) і влаштовують настил. Геометричну незмінність такого вбудованого споруди і його жорсткість забезпечують системою вертикальних зв'язків.
Майданчики другої групи звичайно виконують у вигляді сталевого настилу з плоскою або рифленою стали, підкріпленого знизу ребрами жорсткості зі сталевої смуги або куточків. Балки майданчиків спирають на кронштейни, які в свою чергу кріплять до стін, колон, вітровим фермам торцевих стін будівель або в якості балок майданчика використовують підкранові балки, до яких кріплять рифлений сталевий лист. Іноді балки спирають на окремі колони, аналогічно майданчиків першої групи.
Майданчики третьої групи найчастіше збирають з уніфікованих сталевих елементів (балок, настилу, сходів). Балки цих майданчиків кріплять, як правило, до основних несучих конструкцій будівлі (колонам, стін, підкранових балках, кроквяних конструкцій) або до конструкцій технологічного обладнання.
Як настилу застосовують аркуші з плоскою або рифленою сталі з підкріпленням їх ребрами жорсткості, плити зі збірного залізобетону, а також залізобетонний настил, що виконується з опалубки з сталевого гофрованого аркуша (сталезалізобетонних настил).
Сталевий настил у майданчиках першої групи застосовують, якщо можливо швидке руйнування бетону від дії високих температур і великих циклічних навантажень (сталеливарні і ливарні цехи).
3.4.2 Балочні клітки
Схеми балкових клітин визначаються розташуванням устаткування і типом настилу. Вибирають їх з умови забезпечення найменших витрат металу, бетону та праці на виготовлення і монтаж, для чого схеми балкових клітин застосовують з найбільш коротким і простим шляхом передачі навантаження на колони або інші опори.
Балки настилу в плані розміщують з постійним кроком по довжині підтримують їх балок (головних чи другорядних), крок цих балок визначається несучою здатністю і жорсткістю настилу, Необхідно мати на увазі, що при зменшенні кроку балок настилу товщина останнього і сумарна витрата матеріалів на настил до підтримують його балки будуть зменшуватися до певної межі, після якого перерізу балок будуть визначатися не умовами міцності, а вимогами жорсткості, і може виявитися доцільним збільшити крок балок.
Головні балки орієнтують у бік більшого кроку колон (поздовжнього або поперечного) і проектують зазвичай розрізними. Враховуючи значні прольоти головних балок, складові, як правило, 9 ... 12 м і більше, їх проектують складеного двотаврового перерізу з членуванням при необхідності на відправні елементи. На монтажі відправні елементи об'єднують в єдину конструкцію зварюванням або високоміцними болтами з накладками.
Балки настилу проектують двотаврового або рідше швелерного перетину. Необхідно мати на увазі, що в площадках з балочною клітиною нормального і ускладненого типів прокатні балки раціональні при прольотах до 8 ... 9 м, навантаженнях до 10 ... 12 кН / м 2 і залізобетонному настилі. Якщо відстань між головними балками більше 9 м. то економічніше переходити на балочную клітку ускладненого типу з 2 ... 3 допоміжними балками, які виконують двотаврового і таврового перетину або з куточків.
Балки настилу можна проектувати розрізними й нерозрізними. Остання статична схема зручніше при поверховому сполученні балок (мал. 5.15, в). У плані другорядні балки размешаются або з постійним кроком по довжині підтримують їх балок при рівномірно розподіленої корисного навантаження, або з нерегулярним кроком при встановленні на майданчику стаціонарного обладнання. Крок балок настилу визначається конструкцією настилу і величиною корисного навантаження.
3.4.3 Настили
У конструкціях технологічних майданчиків застосовують сталеві суцільні настили із плоского або рифленого аркуша, залізобетонні (зі збірних плит або монолітної плити) і сталезалізобетонні
Вибір матеріалу настилу і його конструктивне рішення (стаціонарний або знімний щитової) вибирають з урахуванням технологічного призначення майданчики, характеру і величини корисного навантаження, температурно-вологісного режиму експлуатації, агресивності середовища, економічного фактора.
Поверх несучого настилу часто влаштовують захисний настил (асфальтовий або бетонну підлогу завтовшки 40 ... 60 мм на несучому залізобетонному настилі, дерев'яний з торцевих брусків - на сталевому).
Щити знімних настилів можуть мати розміри в плані до 3х12 м (для ручного відкривання щити, як правило, мають менші розміри і масу не більше 75 кг). Щити складаються з системи другорядних і допоміжних балок, сталевого настилу, підкріпленого ребрами жорсткості, і укладаються на підтримуючі головні балки. Застосування подібного конструктивного рішення підвищує ступінь заводської готовності і знижує трудовитрати при монтажі.
Корисне навантаження на настил приймають за технологічним завданням, яка може досягати 40 кН / м 2; вертикальні відносні прогини настилу не повинні перевищувати вимог норм; їх пов'язують з прольотом настилу l n. Так, при l n ≤ 1,0 м граничний відносний прогин приймають [ѓ / l] = 1 / 120; при l n = 3,0 м - 1 / 150; при l n = 6,0 м - 1 / 200.
3.4.4 Сходи та перехідні майданчики
Настили технологічних майданчиків можуть розташовуватися в один або кілька ярусів у залежності від виду обладнання та його висоти. Для доступу обслуговуючого персоналу до технологічного устаткування влаштовуються сходи у вигляді сходових маршів або драбин.
Сходові марші складаються з косоуров (тятиви), опорних елементів, ступенів, огорожі (поручнів, стійок) і встановлюються з кутом нахилу α = 45 ° і 60 °, який залежить від частоти обслуговування обладнання і наявності вільних площ для розміщення сходів. При великій частоті використання сходів приймається кут нахилу α = 45 °. Для останніх ширину маршів (відстань між поручнями огородження) приймають 600, 800 і 1000 мм із кроком ступенів 200 мм. Марші з кутом нахилу 60 ° виконують шириною 600 і 800 мм з кроком ступенів 300 мм. Проектування сходів проводять відповідно до вказівок типової серії 1.459-2 "Сталеві сходи, перехідні площадки та огородження".
Тятиву виконують з холодногнутого профілю гн [180х50х4 або прокатних швелерів N16; 18. Розрахункову схему тятиви приймають у вигляді однопрогоновою похилій балки при одномаршові сходах або багатопролітної балки ламаного обрису при двох-і більше маршової прямий сходах. Косоури працюють на поперечний вигин від маси металоконструкцій сходів та корисного навантаження, яка відповідно до положень норм приймається у вигляді вертикальної зосередженої сили Р н = 1,5 кН, розташованої на майданчику завдовжки 10 см по середині прольоту косоура. Відносний прогин маршу не повинен перевищувати 1 / 150 при довжині сходи 3 м і 1 / 120 при довжині 6 м. Коефіцієнт надійності за навантаженням приймають рівним 1,2.
Сходинки сходів виготовляють із сталевого листа: гнуті з рифленої сталі t = 4 мм, гнуті із просічно-витяжного листа з відгином подступенка з непросікані частини аркуша, ребристі зі смуг 40х4 або арматурної сталі 16 ... 20 мм з подступенком з прокатного куточка 1, 50х5 і з штампованих профільованих елементів швелерного перетину. Всі типи ступенів виготовляють шириною 200 мм. Перехідні площадки застосовують при висоті сходів h> 6 м і при влаштуванні поворотів сходових маршів. Ширину майданчиків призначають рівної ширині маршу. Довжину майданчиків (проліт між опорами) визначають залежно від корисного навантаження в межах 600 ... 6000 мм: при довжині 600 ... 2400 мм, кратній 300 мм, більше 2400 мм - кратною 600 мм. Перехідні площадки складаються із сталевого настилу (застосовують той самий матеріал, що і для ступенів маршів), ребер жорсткості і балок майданчика. Настил приварюють до поздовжніх балках.
Перехідні площадки кріплять до стін і колон каркаса будівлі або несучих елементів технологічного обладнання кронштейнами і консольними балками.
Висоту поручнів приймають рівною 900 мм, крок стояків - 600 ... 1000 мм. Поручні і стійки поручнів можна виконувати зі спеціального гнутого сталевого профілю 50х40х12х2, 5, з прямокутної труби 60х40х2, 5, квадратної 40х40х2, 5 або з рівнополочні куточків 45х4, 50х5; проміжну горизонтальну розпірку виконують з куточка 25х3 або смуги 40х4.
Поручні розраховують як багатопрогонових балку, опорами якої служать стійки поручнів, на горизонтальну розподілене навантаження інтенсивністю р п = 0,8 кН / м, якщо ж технологічний майданчик призначена для нетривалого перебування людей (наприклад, посадочний майданчик на мостовий кран), то розрахунок поручнів ведуть на горизонтальну зосереджене навантаження інтенсивністю P п = 0,8 кН. Стійки поручнів розраховують як консольні елементи, завантажені зосередженої горизонтальної навантаженням, що дорівнює відсічі поручня поручнів. Граничний відносний прогин поручнів не повинен перевищувати 1 / 150 їх прогону і 1 / 120 - для стояків. Коефіцієнт надійності за навантаженням при розрахунку елементів перил призначають рівним 1,2.
Драбини застосовують у тих випадках, коли неможливо або недоцільно ставити сходи через їх рідкісного використання (наприклад, підйом одного робочого один-два рази на зміну). Кут нахилу драбин беруть рівним 90 °. ширину 600 мм і висоту від 2400 до 6000 мм. Драбини складаються з тятиви, східців і огородження. Тятиву виготовляють зазвичай з 75х6, до пий приварюють щаблі з прутка 18 мм з кроком 300 мм.
Список літератури.
1. Стрілецький М. С., Стрілецький Д. М., Проектування та виготовлення економічних металевих конструкцій, М., 1964 (Матеріали до курсу металевих конструкцій, В.4);
2. Мельников М. П., Металеві конструкції за кордоном, М., 1971; Будівельні норми і правила, ч. 2, розділ В, гл. 3.
3. В.Г. Микульський. Г. І. Горчаков. Будівельні матеріали. АВС 2002р.
Колони, стійки, стріли кранів і інші поздовжньо стислі конструкції з точки зору їх розрахунку мають спільні риси з окремими елементами, що входять до складу інших конструкцій або стрижневих систем, наприклад зі стрижнями ферм, елементами зв'язків тощо Це дозволяє їх розглядати в складі однієї голови, але з різним ступенем деталізації. При всьому різноманітті такі конструкції мають спільні формальні ознаки - всі вони працюють на стиск або на стиск з вигином, а їх довжина в 10 ... 20 разів і більше перевищує розміри поперечних перерізів. Конструкція складається з власне стрижня і опорних пристроїв, технічні рішення яких залежать від призначення конструкції та особливостей, вузлових сполученні.
За формою силуету конструкції можуть бути постійного перерізу, змінного перерізу і ступінчастими. Зміна перерізу по довжині дозволяє знизити металоємність, але незначно, тому такі стрижні проектують з архітектурних міркувань або коли зниження маси приводить до додаткових ефектів, наприклад у рухливих конструкціях типу кранових стріл.
Типовими представниками стиснутих стержневих конструкцій є колони та стійки, що складаються з стрижня, оголовка, бази, іноді консолі. Оголовок служить для спирання та кріплення верхніх конструкцій. База виконує дві функції - розподіляє зусилля, що передається колоною на фундамент, знижуючи напругу до розрахункового опору фундаменту, і забезпечує прикріплення до нього колони за допомогою анкерних болтів. На консолі можуть спиратися підкранові балки, стінові панелі, технологічні комунікації і т. п.
Потужні стрижні типу колон, стійок, елементів важких ферм виконують з поодиноких-подiбнi або складають їх з декількох прокатних профілів. Складові стрижні можуть бути суцільностінчатих - суцільними - і наскрізними.
Останні в свою чергу ділять на стрижні з безраскосной гратами, гратчасті і перфоровані. Гілки (пояси) безраскосних стрижнів об'єднують планками з листової сталі, жорсткими вставками або перфорованими аркушами. Перфоровані стрижні можуть бути виконані також гнутозварних з зигзагоподібно розрізаних листів або з прокатних профілів, які після попередньої фігурного різання об'єднують у хрестоподібне розтин. При всій своїй привабливості перфоровані стрижні знаходять обмежене застосування, що пов'язано з додатковими операціями і необхідністю мати обладнання для фігурного різання та згинання заготовок у формі гнутих швелерів або куточків. При виготовленні стійок з перфорованих прокатних профілів необхідні операції правки, так як після різання вихідного профілю отримані заготовки згинаються в різні сторони внаслідок наявності у вихідному металопрокаті залишкових напружень.
Елементи стрижневих конструкцій невеликих поперечних розмірів проектують з круглих або прямокутних труб, одиночних або спарених куточків.
По виду напруженого стану стрижні ділять на центрально-стислі, відцентрово стиснуті і стиснуто-згинальні. Аналогічну класифікацію використовують для найменування розтягнутих елементів.
3.3 Ферми
Загальна характеристика і класифікація ферм
Фермою називають систему стрижнів (зазвичай прямолінійних), з'єднаних між собою у вузлах і утворюють геометрично незмінну конструкцію.
Якщо навантаження прикладена в вузлах, а осі елементів ферми перетинаються в одній точці (центрі вузла), то жорсткість вузлів несуттєво впливає на роботу конструкції і в більшості випадків їх можна розглядати як шарнірні. Тоді всі стрижні ферми відчувають тільки осьові зусилля (розтягнення або стиснення). Завдяки цьому метал для ферм використовується більш раціонально, ніж у балках, і вони економічніше балок по витраті матеріалу, але більш трудомісткі у виготовленні, оскільки мають велике число деталей. Зі збільшенням перекриваються прольотів і зменшенням навантаження ефективність ферм в порівнянні до суцiльностiнчастих балками зростає.
Сталеві ферми отримали широке поширення в багатьох областях будівництва: в покриттях і перекриттях промислових і цивільних будинків, мостах, опорах ліній електропередачі, об'єктах зв'язку, телебачення і радіомовлення (вежі, щогли), транспортерних галереях, гідротехнічних затворах, вантажопідіймальних кранів і т.д.
Ферми бувають плоскими (всі стрижні лежать в одній площині) і просторовими.
Плоскі ферми можуть сприймати навантаження, прикладене тільки в їх площині, і потребують закріплення зі своєї площині зв'язками чи іншими елементами. Просторові ферми утворюють жорсткий просторовий брус, здатний сприймати навантаження, що діє в будь-якому напрямку. Кожна грань такого бруса представляє собою плоску ферму. Прикладом просторового бруса може служити баштова конструкція.
Основними елементами ферм є пояса, що утворюють контур ферми, і грати, що складається з розкосів і стояків.
Відстань між вузлами поясу називають панеллю (d), відстань між опорами - прольотом (l), відстань між осями (або зовнішніми гранями) поясів - висотою ферми (h ф).
Пояси ферм працюють в основному на поздовжні зусилля і момент (аналогічно поясів суцільних балок); грати ферм сприймає в основному поперечну силу, виконуючи функцію стінки суцільний балки.
З'єднання елементів у вузлах здійснюють шляхом безпосереднього примикання одних елементів до інших або за допомогою вузлових фасонок. Для того щоб стрижні ферм працювали в основному на осьові зусилля, а впливом моментів можна було знехтувати, елементи ферм слід центрувати по осях, що проходить через центри тяжкості.
Залежно від призначення, архітектурних вимог і схеми прикладання навантажень ферми можуть мати найрізноманітнішу конструктивну форму. Їх можна класифікувати за такими ознаками: статичною схемою, обрису поясів, системі грати, способу з'єднання елементів у вузлах, величині зусилля в елементах.
За статичною схемою ферми бувають: балкові (розрізні, нерозрізні, консольні), арочні, рамні і вантові.
У покриттях будівель, мостах, транспортерних галереях та інших подібних спорудах найбільше застосування знайшли балкові розрізні системи. Вони прості у виготовленні і монтажі, не вимагають пристрою складних опорних вузлів, але вельми металлоемки. При великих прольотах (більше 40 м) розрізні ферми виходять негабаритними і їх доводиться збирати з окремих елементів на монтажі. При числі перекриваються прольотів два і більше застосовують нерозрізні ферми. Вони економічніше по витраті металу і володіють більшою жорсткістю, що дозволяє зменшити їх висоту. Але як у всяких зовні статично невизначених системах, в нерозрізних фермах при осаді опор виникають додаткові зусилля, тому їх застосування при слабких просадних підставах не рекомендується. Крім того, необхідність створення нерозрізності ускладнює монтаж таких конструкцій. Консольні ферми використовують для навісів, башт, опор повітряних ліній електропередач. Рамні системи економічні по витраті стали, мають менші габарити, проте більш складні при монтажі. Їх застосування раціонально для великопрольотних будівель. Застосування арочних систем, хоча і дає економію сталі, призводить до збільшення об'єму приміщення і поверхні огороджувальних конструкцій. Їх застосування диктується в основному архітектурними вимогами. У вантових фермах всі стрижні працюють тільки на розтягування і можуть бути виконані із гнучких елементів, наприклад сталевих тросів. Розтягування всіх елементів таких ферм досягається вибором обриси поясів і решітки, а також створенням попереднього напруження. Робота тільки на розтяг дозволяє повністю використовувати високі міцнісні властивості сталі, оскільки знімаються питання стійкості. Вантові ферми раціональні для великопрольотних перекриттів і в мостах. Проміжними між фермою і суцільний балкою є комбіновані системи, що складаються з балки, підкріпленої знизу шпренгелем або розкосами, або зверху аркою. Підкріплювальні елементи зменшують згинальний момент в балці і підвищують жорсткість системи. Комбіновані системи прості у виготовленні (внаслідок меншого числа елементів) і раціональні у важких конструкціях, а також в конструкціях з рухомими навантаженнями. Вельми ефективним є застосування комбінованих систем для підсилення конструкцій, наприклад, підкріплення балки, при недостатній її несучої здатності, шпренгелем або підкосами.
У залежності від обриси поясів ферми поділяють на сегментні, полігональні, трапецеїдальних, з паралельними поясами і трикутні.
Обрис поясів ферм в значній мірі визначає їх економічність. Теоретично найбільш економічної по витраті сталі є ферма, окреслена по епюрі моментів. Для однопрогоновою балочної системи з рівномірно розподіленим навантаженням це буде сегментна ферма з параболічним поясом. Однак криволінійне обрис пояса підвищує трудомісткість виготовлення, тому такі ферми в даний час практично не застосовують.
Більш прийнятним є полігональне обрис з переломом пояси в кожному вузлі. Воно досить близько відповідає параболическому обрису епюри моментів, не потребує виготовлення криволінійних елементів. Такі ферми іноді застосовують для перекриття великих прольотів і в мостах, тобто в конструкціях, що поставляються на будівельний майданчик "розсипом" (з окремих елементів). Для ферм покриттів звичайних будинків, що поставляються на монтаж, як правило, у вигляді укрупнених відправних елементів внаслідок ускладнення виготовлення ці ферми в даний час не застосовують. Ви їх можете зустріти тільки в старих спорудах, побудованих до 50-х років.
Ферми трапецеідального обриси, хоча і не зовсім відповідають епюрі моментів, мають конструктивні переваги, перш за все за рахунок спрощення вузлів. Крім того, застосування таких ферм в покритті дозволяє влаштувати жорсткий рамний вузол, що підвищує жорсткість каркаса.
Ферми з паралельними поясами за своїм обрисом далекі від епюри моментів і по витраті стали не економічні. Однак рівні довжини елементів решітки, однакова схема вузлів, найбільша повторюваність елементів і деталей і можливість їх уніфікації сприяє індустріалізації їх виготовлення. Завдяки цим перевагам ферми з паралельними поясами стали основними для покриття будівель.
Ферми трикутного обриси раціональні для консольних систем, а також для балкових систем при зосередженої навантаженні в середині прольоту (підкроквяні ферми). При розподіленому навантаженні трикутні ферми мають підвищений витрата металу. Крім того, вони мають ряд конструктивних недоліків. Гострий опорний вузол складний і допускає тільки шарнірне пару з колонами. Середні розкоси виходять надзвичайно довгими, і їх перетин доводиться підбирати по граничної гнучкості, що викликає перевитрата металу. Проте у ряді випадків їх застосування для кроквяних конструкцій диктується необхідністю забезпечення великого (понад 20%) ухилу покрівлі або вимогами створення одностороннього освітлення (шедові покриття).
Системи решітки
Вибір типу решітки залежить від схеми прикладання навантажень, обриси поясів і конструктивних вимог. Так, щоб уникнути вигину пояса місця прикладання зосереджених навантажень слід підкріплювати елементами решітки. Для забезпечення компактності вузлів кут між розкосами і поясом бажано мати в межах 30 ... 50 °.
Для зниження трудомісткості виготовлення ферма повинна бути по можливості простий з найменшим числом елементів і додаткових деталей.
Трикутна система решітки має найменшу сумарну довжину елементів і найменша кількість вузлів. Розрізняють ферми з висхідними і спадними опорними розкосами. Якщо опорний Розкіс йде від нижнього опорного вузла ферми до верхнього поясу, то його називають висхідним. При направленні розкосу від опорного вузла верхнього пояса до нижнього - низхідним. У місцях прикладання зосереджених навантажень (наприклад, в місцях обпирання прогонів покрівлі) можна встановити додаткові стійки або підвіски. Ці стійки служать також для зменшення розрахункової довжини пояса. Стійки і підвіски працюють тільки на місцеве навантаження.
Недоліком трикутної решітки є наявність довгих стислих розкосів, що вимагає додаткової витрати сталі для забезпечення їх стійкості.
У співпрацівники системі грати все розкоси мають зусилля одного знака, а стійки - іншого. Так, в фермах з паралельними поясами при висхідному розкосі стійки розтягнуті, а розкоси стиснуті; при низхідному - навпаки. Очевидно, при проектуванні ферм слід прагнути, щоб найбільш довгі елементи були розтягнуті, а стиснення сприймалося короткими елементами. Співпрацівники грати більш металомістких і трудомістка в порівнянні з трикутною, так як загальна довжина елементів решітки більше і в ній більше вузлів. Застосування співпрацівники решітки доцільно при малій висоті ферм і великих вузлових навантаженнях.
Шпренгельних грати застосовують при внеузловом додатку зосереджених навантажень до верхнього поясу, а також при необхідності зменшення розрахункової довжини пояса. Вона більш трудомістка, але в результаті виключення роботи поясу на вигин і зменшення його розрахункової довжини може забезпечити зниження витрати сталі.
Якщо навантаження на ферму може діяти як в одному, так і в іншому напрямку (наприклад, вітрове навантаження), то доцільно застосування хрестової решітки. Розкоси таких грат можуть бути виконані із гнучких елементів. У цьому випадку стислі розкоси внаслідок великої гнучкості вимикаються з роботи і грати працює як співпрацівники з розтягнутими розкосами і стислими стійками.
У фермах з поясами з таврів можна застосувати перехресну грати з поодиноких кутиків з кріпленням розкосів безпосередньо до стінки тавра.
Ромбічна і напіврозкісних решітки завдяки двом системам розкосів володіють великою жорсткістю; ці системи застосовують у мостах, баштах, щоглах, зв'язках для зменшення розрахункової довжини стрижнів. Вони раціональні при великій висоті ферм і роботу конструкцій на значні поперечні сили.
Можлива в одній фермі комбінація різних типів грат.
За способом з'єднання елементів у вузлах ферми поділяють на зварні і болтові. У конструкціях, виготовлених до 50-х років, застосовувалися також клепані з'єднання. Основними типами ферм є зварні. Болтові з'єднання, як правило, на високоміцних болтах застосовують в монтажних вузлах.
За величиною максимальних зусиль умовно розрізняють легкі ферми з перерізами елементів з простих прокатних або гнутих профілів (при зусиллях в стержнях N <3000кН) і важкі ферми з елементами складеного перерізу (N> 3000кН).
Ефективність ферм може бути підвищена при створенні в них попереднього напруження.
З усього різноманіття ферм в цьому посібнику розглянуті тільки легкі розрізні балкові ферми, що мають найбільш широке застосування
3.4 Технологічні площадки
3.4.1 Загальні відомості. Класифікація
Майданчики призначені для розміщення технологічного обладнання, організації його обслуговування, ремонту і складаються з несучих балок, настилу, сходів і огорожі. У залежності від величини корисного навантаження і призначення майданчики поділяють на три групи.
1. Майданчики під важкий стаціонарне обладнання і рухому навантаження (робоча майданчик сталеливарних і ливарних цехів, головних корпусів ТЕЦ тощо) з корисним навантаженням р> 20 кН / м 2.
2. Ремонтні майданчики ходових коліс кранів, майданчики під транспортери, трубопроводи, вентилятори з р = 4 ... 20 кН / м 2.
3. Посадкові майданчики на опорні (мостові) і підвісні крани, оглядові майданчики з корисним навантаженням р = 2,0 ... 4,0 кН / м 2.
Майданчики першої групи виконують у вигляді самостійних вбудованих в будівлю споруд. Такі майданчики спираються на окремі колони, сітка яких зазвичай кратна модулю, прийнятому в будівництві (М = 6 м або рідше 3 м). По колонах встановлюють систему несучих балок (балочную клітину) і влаштовують настил. Геометричну незмінність такого вбудованого споруди і його жорсткість забезпечують системою вертикальних зв'язків.
Майданчики другої групи звичайно виконують у вигляді сталевого настилу з плоскою або рифленою стали, підкріпленого знизу ребрами жорсткості зі сталевої смуги або куточків. Балки майданчиків спирають на кронштейни, які в свою чергу кріплять до стін, колон, вітровим фермам торцевих стін будівель або в якості балок майданчика використовують підкранові балки, до яких кріплять рифлений сталевий лист. Іноді балки спирають на окремі колони, аналогічно майданчиків першої групи.
Майданчики третьої групи найчастіше збирають з уніфікованих сталевих елементів (балок, настилу, сходів). Балки цих майданчиків кріплять, як правило, до основних несучих конструкцій будівлі (колонам, стін, підкранових балках, кроквяних конструкцій) або до конструкцій технологічного обладнання.
Як настилу застосовують аркуші з плоскою або рифленою сталі з підкріпленням їх ребрами жорсткості, плити зі збірного залізобетону, а також залізобетонний настил, що виконується з опалубки з сталевого гофрованого аркуша (сталезалізобетонних настил).
Сталевий настил у майданчиках першої групи застосовують, якщо можливо швидке руйнування бетону від дії високих температур і великих циклічних навантажень (сталеливарні і ливарні цехи).
3.4.2 Балочні клітки
Схеми балкових клітин визначаються розташуванням устаткування і типом настилу. Вибирають їх з умови забезпечення найменших витрат металу, бетону та праці на виготовлення і монтаж, для чого схеми балкових клітин застосовують з найбільш коротким і простим шляхом передачі навантаження на колони або інші опори.
Балки настилу в плані розміщують з постійним кроком по довжині підтримують їх балок (головних чи другорядних), крок цих балок визначається несучою здатністю і жорсткістю настилу, Необхідно мати на увазі, що при зменшенні кроку балок настилу товщина останнього і сумарна витрата матеріалів на настил до підтримують його балки будуть зменшуватися до певної межі, після якого перерізу балок будуть визначатися не умовами міцності, а вимогами жорсткості, і може виявитися доцільним збільшити крок балок.
Головні балки орієнтують у бік більшого кроку колон (поздовжнього або поперечного) і проектують зазвичай розрізними. Враховуючи значні прольоти головних балок, складові, як правило, 9 ... 12 м і більше, їх проектують складеного двотаврового перерізу з членуванням при необхідності на відправні елементи. На монтажі відправні елементи об'єднують в єдину конструкцію зварюванням або високоміцними болтами з накладками.
Балки настилу проектують двотаврового або рідше швелерного перетину. Необхідно мати на увазі, що в площадках з балочною клітиною нормального і ускладненого типів прокатні балки раціональні при прольотах до 8 ... 9 м, навантаженнях до 10 ... 12 кН / м 2 і залізобетонному настилі. Якщо відстань між головними балками більше 9 м. то економічніше переходити на балочную клітку ускладненого типу з 2 ... 3 допоміжними балками, які виконують двотаврового і таврового перетину або з куточків.
Балки настилу можна проектувати розрізними й нерозрізними. Остання статична схема зручніше при поверховому сполученні балок (мал. 5.15, в). У плані другорядні балки размешаются або з постійним кроком по довжині підтримують їх балок при рівномірно розподіленої корисного навантаження, або з нерегулярним кроком при встановленні на майданчику стаціонарного обладнання. Крок балок настилу визначається конструкцією настилу і величиною корисного навантаження.
3.4.3 Настили
У конструкціях технологічних майданчиків застосовують сталеві суцільні настили із плоского або рифленого аркуша, залізобетонні (зі збірних плит або монолітної плити) і сталезалізобетонні
Вибір матеріалу настилу і його конструктивне рішення (стаціонарний або знімний щитової) вибирають з урахуванням технологічного призначення майданчики, характеру і величини корисного навантаження, температурно-вологісного режиму експлуатації, агресивності середовища, економічного фактора.
Поверх несучого настилу часто влаштовують захисний настил (асфальтовий або бетонну підлогу завтовшки 40 ... 60 мм на несучому залізобетонному настилі, дерев'яний з торцевих брусків - на сталевому).
Щити знімних настилів можуть мати розміри в плані до 3х12 м (для ручного відкривання щити, як правило, мають менші розміри і масу не більше 75 кг). Щити складаються з системи другорядних і допоміжних балок, сталевого настилу, підкріпленого ребрами жорсткості, і укладаються на підтримуючі головні балки. Застосування подібного конструктивного рішення підвищує ступінь заводської готовності і знижує трудовитрати при монтажі.
Корисне навантаження на настил приймають за технологічним завданням, яка може досягати 40 кН / м 2; вертикальні відносні прогини настилу не повинні перевищувати вимог норм; їх пов'язують з прольотом настилу l n. Так, при l n ≤ 1,0 м граничний відносний прогин приймають [ѓ / l] = 1 / 120; при l n = 3,0 м - 1 / 150; при l n = 6,0 м - 1 / 200.
3.4.4 Сходи та перехідні майданчики
Настили технологічних майданчиків можуть розташовуватися в один або кілька ярусів у залежності від виду обладнання та його висоти. Для доступу обслуговуючого персоналу до технологічного устаткування влаштовуються сходи у вигляді сходових маршів або драбин.
Сходові марші складаються з косоуров (тятиви), опорних елементів, ступенів, огорожі (поручнів, стійок) і встановлюються з кутом нахилу α = 45 ° і 60 °, який залежить від частоти обслуговування обладнання і наявності вільних площ для розміщення сходів. При великій частоті використання сходів приймається кут нахилу α = 45 °. Для останніх ширину маршів (відстань між поручнями огородження) приймають 600, 800 і 1000 мм із кроком ступенів 200 мм. Марші з кутом нахилу 60 ° виконують шириною 600 і 800 мм з кроком ступенів 300 мм. Проектування сходів проводять відповідно до вказівок типової серії 1.459-2 "Сталеві сходи, перехідні площадки та огородження".
Тятиву виконують з холодногнутого профілю гн [180х50х4 або прокатних швелерів N16; 18. Розрахункову схему тятиви приймають у вигляді однопрогоновою похилій балки при одномаршові сходах або багатопролітної балки ламаного обрису при двох-і більше маршової прямий сходах. Косоури працюють на поперечний вигин від маси металоконструкцій сходів та корисного навантаження, яка відповідно до положень норм приймається у вигляді вертикальної зосередженої сили Р н = 1,5 кН, розташованої на майданчику завдовжки 10 см по середині прольоту косоура. Відносний прогин маршу не повинен перевищувати 1 / 150 при довжині сходи 3 м і 1 / 120 при довжині 6 м. Коефіцієнт надійності за навантаженням приймають рівним 1,2.
Сходинки сходів виготовляють із сталевого листа: гнуті з рифленої сталі t = 4 мм, гнуті із просічно-витяжного листа з відгином подступенка з непросікані частини аркуша, ребристі зі смуг 40х4 або арматурної сталі 16 ... 20 мм з подступенком з прокатного куточка 1, 50х5 і з штампованих профільованих елементів швелерного перетину. Всі типи ступенів виготовляють шириною 200 мм. Перехідні площадки застосовують при висоті сходів h> 6 м і при влаштуванні поворотів сходових маршів. Ширину майданчиків призначають рівної ширині маршу. Довжину майданчиків (проліт між опорами) визначають залежно від корисного навантаження в межах 600 ... 6000 мм: при довжині 600 ... 2400 мм, кратній 300 мм, більше 2400 мм - кратною 600 мм. Перехідні площадки складаються із сталевого настилу (застосовують той самий матеріал, що і для ступенів маршів), ребер жорсткості і балок майданчика. Настил приварюють до поздовжніх балках.
Перехідні площадки кріплять до стін і колон каркаса будівлі або несучих елементів технологічного обладнання кронштейнами і консольними балками.
Висоту поручнів приймають рівною 900 мм, крок стояків - 600 ... 1000 мм. Поручні і стійки поручнів можна виконувати зі спеціального гнутого сталевого профілю 50х40х12х2, 5, з прямокутної труби 60х40х2, 5, квадратної 40х40х2, 5 або з рівнополочні куточків 45х4, 50х5; проміжну горизонтальну розпірку виконують з куточка 25х3 або смуги 40х4.
Поручні розраховують як багатопрогонових балку, опорами якої служать стійки поручнів, на горизонтальну розподілене навантаження інтенсивністю р п = 0,8 кН / м, якщо ж технологічний майданчик призначена для нетривалого перебування людей (наприклад, посадочний майданчик на мостовий кран), то розрахунок поручнів ведуть на горизонтальну зосереджене навантаження інтенсивністю P п = 0,8 кН. Стійки поручнів розраховують як консольні елементи, завантажені зосередженої горизонтальної навантаженням, що дорівнює відсічі поручня поручнів. Граничний відносний прогин поручнів не повинен перевищувати 1 / 150 їх прогону і 1 / 120 - для стояків. Коефіцієнт надійності за навантаженням при розрахунку елементів перил призначають рівним 1,2.
Драбини застосовують у тих випадках, коли неможливо або недоцільно ставити сходи через їх рідкісного використання (наприклад, підйом одного робочого один-два рази на зміну). Кут нахилу драбин беруть рівним 90 °. ширину 600 мм і висоту від 2400 до 6000 мм. Драбини складаються з тятиви, східців і огородження. Тятиву виготовляють зазвичай з 75х6, до пий приварюють щаблі з прутка 18 мм з кроком 300 мм.
Список літератури.
1. Стрілецький М. С., Стрілецький Д. М., Проектування та виготовлення економічних металевих конструкцій, М., 1964 (Матеріали до курсу металевих конструкцій, В.4);
2. Мельников М. П., Металеві конструкції за кордоном, М., 1971; Будівельні норми і правила, ч. 2, розділ В, гл. 3.
3. В.Г. Микульський. Г. І. Горчаков. Будівельні матеріали. АВС 2002р.