Металлические кровельные конструкции и их материалы

Размещено на http://www.allbest.ru/

ГЛАВА I. МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КРОВЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ

1.1 История развития металлических стержневых конструкций

Понятие «металлические конструкции» объединяет в себе их конструктивную форму, технологию изготовления и способы монтажа. Уровень развития металлических конструкций определяется, c одной стороны, потребностями в них, а c другой - возможностями технической базы: развитием металлургии, металлообработки, строительной науки и техники. Исходя из этих положений история развития металлических конструкций может быть разделена на пять периодов.

Первый период (от XII до начала XVII в.) характеризуется применением металла в уникальных по тому времени сооружениях (дворцах, церквях и т.п.) в виде затяжек и скреп для каменной кладки. Затяжки выковывали из кричного железа и скрепляли через проушины на штырях. Одной из первых таких конструкций являются затяжки Успенского собора во Владимире (1158 г.).

Второй период (от начала XVII до конца XVI11 в.) связан c применением наслонных металлических стропил и пространственных купольных конструкций («корзинок») глав церквей.

Стержни конструкции выполнены из кованых брусков и соединены на замках и скрепах горновой свapкой. Конструкции такого типа сохранились до наших дней. Примерами служат перекрытие пролетом 18 м над трапезной Троице-Сергиевого монастыря в Загорске (1696-1698 гг.), перекрытие старого Кремлевского дворца в Москве (1640 г.), каркас купола колокольни Ивана Великого (1603 г.), каркас купола Казанского собора в Ленинграде пролетам 15 м (1805 г.) и др.

По зрелости конструктивного решения выделяется металлическая конструкция, поддерживающая каменный потолок над коридором между притворами храма Василия Блаженного (1560 г.) (рис. 1). Это первая известная нам конструкция, состоящая из стержней, работающих на растяжение, изгиб и сжатие.

Рис. 1. Конструкция перекрытия коридора в Покровском соборе (Москва XVI век)

Затяжки, поддерживающие потолок в этой конструкции, укреплены для облегчения работы на изгиб подкосами. Поражает, что уже в те времена конструктор знал, что для затяжек, работающих на изгиб, надо применять полосу, поставленную на ребро, a подкосы, работающие на сжатие, лучше делать квадратного сечения.

Третий период (от начала XVПI до середины XIX в.) связан c освоением процесса литья чугунных стержней и деталей. Строятся чугунные мосты и конструкции перекрытий гражданских и промышленных зданий. Соединения чугунных элементов осуществляются на замках или болтах. Первой чугунной конструкцией в России считается перекрытие крыльца Невьянской башни на Урале (1725 г.). B 1784г. в Петербурге был построен первый чугунный мост.

В 1850-х гг. в Петербурге был построен Николаевский мост с восемью арочными пролетами от 33 до 47 м, являющийся самым крупным чугунным мостом мира. металлический стержневой ферма стропильный

В этот же период наслонные стропила постепенно трансформируются в смешанные железочугунные треугольные фермы (рис. 2).

Рис. 2. Перекрытие Зимнего двора в Санкт-Петербурге (1837 г.)

а) над большой церковью; б) над Георгиевским залом

В фермах сначала не было раскосов (рис. 2, а), они появились в конце рассматриваемого периода (рис. 2, б). Сжатые стержни ферм часто выполняли из чугуна, а растянутые - из железа. В узлах элемеиты соединялись через проушины на болтах. Отсутствие в этот период прокатного и профильного металла ограничивало конструктивную форму железных стержней прямоугольным или круглым сечением. Однако преимущества фасонного профиля уже были поняты и стержни уголкового или швеллерного сечения изготовляли гнутьем или ковкой нагретых полос.

Четвертый период (с 30-х гг. XIX в. до 20-х гг. ХХ в.) связан с быстрым техническим прогрессом во всех областях техники того времени, и в частности, в металлургии и металлообработке.

В начале XIX в. кричный процесс получения железа был заменен более совершенным - пудлингованием, а в конце 1880-х гг. - выплавкой железа из чугуна в мартеновских и конверторных печах. Наряду с уральской базой была создана в России южная база металлургической промышленности.

В 1840-х гг. был освоен процесс получения профильного металла и прокатного листа, в 1850-х гг. появились заклепочные соединения, чему способствовало изобретение дыропробивного пресса. В течение ста последних лет все стальные конструкции изготовлялись клепаными. Сталь почти полностью вытеснила из строительных конструкций чугун, будучи материалом более совершенным по своим свойствам (в особенности при работе на растяжение) и лучше поддающимся контролю и механической обработке. Чугунные конструкции после середины XIX г применялись лишь в колоннах многоэтажных зданий, перекрытиях вокзальных дебаркадеров и т.п., где могла быть полностью использована хорошая сопротивляемость чугуна сжатию. В России до конца XIX в. промышленные и гражданские здания строились в основном с кирпичными стенами и небольшими пролетами, для перекрытия которых использовались треугольные металлические фермы (рис. 3). Конструктивная форма этих ферм постепенно совершенствовалась: решетка получила завершение с появлентrем раскосов; узловые соединения вместо болтовых на проушинах стали выполнять заклепочными пpи помощи фасонок.

Рис. 3. Стропильная фepмa 70-x гг. XIX в

Большой вклад с дальнейшее развитие металлического строительства в конце XIX и вначале ХХ в. и распространение опыта, накопленного в мостостроении, на металлические конструкции гражданских и промышленных зданий внесли Ф.С.Ясинский, В.Г. Шухов и И.П.Прокофьев. В этот период развитие металлургии, машиностроения и других отраслей тяжелой промышленности внесло качественное изменение в технологию производства и потребовало оборудования зданий мостовыми кранами. Первое время их устанавливали на эстакадах (рис.4), однако это загромождало помещение. С увеличением грузоподъемности мостовых кранов и насыщенности ими производства, а также с увеличением высоты и ширины пролетов помещений стало целесообразным строить здания с металлическим каркасом, поддерживающим как ограждающие конструкции, так и пути для мостовых кранов. Основным несущим элементом каркаса стала поперечная рама (рис. 5), включающая в себя колонны и ригели (стропильные фермы).

Профессор Ф.С.Ясинский (1858-1899 гг.) первым запроектировал многопролетное промышленное здание с металлическими колоннами между пролетами и разработал большепролетные складчатые и консольные конструкции покрытий. Он же внес значительный вклад в расчет сжатых стержней на продольный изгиб, работающих в упругопластичеекой зоне деформирования стали.

Исключительно плодотворной и разносторонней была деятельность почетного академика В.Г. Шухова (1853-1939 гг.). Он первым в мировой практике разработал и строил пространственные решетчатые конструкции покрытий и башен различного назначения («башня IIIyxoва»), использовав для них линейчатые поверхности.

В построенных В.Г. Шуховым сооружениях реализованы идеи предварительного напряжения конструкций и возведения покрытий в виде висячих систем с эффективным использованием работы металла на растяжение.

Рис. 4. Перекрытие тульских мастерских (80 - е гг. XIX в., В.Г. Шухов)

Рис. 5. Каркас промышленного здания (начало XX в.)

Этими проектами В.Г. Шухов намного опередил своих современников и предугадал будущие направления в развитии металлических конструкций, закрепив тем самым приоритет нашей страны. Особенно значительна его теоретическая и практическая работа в области резервуаростроения и других листовых конструкций. В.Г. Шухов разработал новые конструктивные формы резервуаров, их расчет и методы нахождения оптимальных параметров.

Профессор И.П.Прокофьев (1377-1938 гг.), используя накопленный опыт, опубликовал первую монографию по изготовлению и монтажу металлических мостов и запроектировал ряд уникальных по тому времени большепролетных покрытий (Мурманские и Перовские мастерские Московско-Казанской железной дороги, Московский почтамт, дебаркадер Казанского вокзала в Москве).

Пятый период (послереволюционный) развития металлических конструкций в нашей стране начинается с первой пятилетки (конец 1920-х гг.), а к концу 1940-х гг. клепаные конструкции почти полностью были заменены сварными, более легкими, технологичными и экономичиыми.

Развитие металлургии уже в 1930-х гг. позволило применять в металлических конструкциях вместо обычной малоуглеродистой стали более прочную низколегироваиную сталь [сталь кремнистую для железнодорожного моста через р. Ципу (Закавказье) и сталь ДС для Дворца Советов и москворецких мостов], а в середине столетия номенклатура применяемых в строительстве низколегированных и высокопрочных сталей значительно расширилась, что позволило существенно облегчить массу конструкций и создать сооружения больших размеров. Кроме стали, в металлических конструкциях начали использовать алюминиевые сплавы, объемная масса которых почти втрое меныше. Чрезвычайно расширились номенклатура металлических конструкций и разнообразие их конструктивных форм. Этот резкий количественный и качественный подъем металлических конструкций был вызван развитием всех ведущих отраслей народного хозяйства, грандиозным размахом промышленного и гражданского строительства.

В начале 1930-х гг. стала оформляться советская школа проектирования металлических конструкиий. В связи с развитием металлургии и машиностроения строилось много промышленных зданий с металлическим каркасом. Стальные каркасы nромышленных зданий оказались ведущей конструктивной формой металлических конструкций, определяющей общее направление их развития. Требованиям эксплуатации и высоких темпов строительства в лучшей степени отвечали сложившиеся к тому времени схемы конструирования поперечных рам с жестким сопряжением колонн с фундаментами и ригелями. Советские проектировщики взяли за основу эти схемы и улучшили их аналитическим определением оптимальных геометрических соотношений элементов рамы, схемы решеток и т.п. (рис. 6). В годы Великой Отечественной войны 1941-1945 гг., несмотря на временную потерю южной металлургической базы и большой расход металла на нужды войны, в промышленном строительстве и мостостроении на Урале и в Сибири широко использовались металлические конструкции. Они лучше других конструкций отвечали основной задаче военного времени - скоростному строительству.

В соответствии с этим требованием упрощалась конструктивная форма благодаря более широкому применению сплошных конструкций из крупных прокатных профилей.

Успехи в развитии металлических конструкций за советский период достигнуты благодаря творческим усилиям проектных и научных организаций, возглавляемых ведущими профессорами и инженерами, внесшими большой личный вклад в это развитие.

Рис. 6. Поперечная рама начала 30-х годов. Завод «Азовсталь»

Особенно значительны заслуги Героя Социалистического Труда, члена-корреспондента АН СССР, профессора Н.С. Стрелецкого (1885-1967 гг.), возглавлявшего в течение 50 лет советскую конструкторскую школу металлостроительства.

Он впервые применил статистические методы в расчете конструкций, исследовал работу статически неопределимых систем за пределом упругости, провел теоретические исследования и обобщил их данные в области развития конструктивной формы. Герой Социалистического Труда, действительный член АН УССР Е.О. Патон (1870-1953 гг.), также внесший свой вклад в развитие металлического мостостроения, имеет исключительные заслуги в области механизации и автоматизации электродуговой сварки, что являлось важным техническим достижением советской школы сварщиков.

Металлические конструкции и сегодня применяются во всех видах зданий и инженерных сооружений, особенно если необходимы значительные пролеты, высота и нагрузки (торговые центры, выставочные павильоны, ангары и т.п.).

Рис. 7. Современные стержневые конструкции

Современные технологии расчета и проектирования элементов металлических конструкций отличаются широким применением систем автоматизированного проектирования (САПР). Одной из базовых платформ для построения САПР, нацеленных на выполнение задач в области промышленного и гражданского строительства, является AutoCAD.

1.2 Достоинства и недостатки металлических конструкций

Широкое применение металлических конструкций в строительстве обусловлено целым рядом положительных свойств, которыми они обладают. Основные достоинства металлических конструкций следующие.

Легкость, что объясняется высокой прочностью материала. Металлические конструкции легче конструкций из других материалов, воспринимающих те же нагрузки. Легкость металлических конструкций определяет их широкое использование для экспедиционного строительства, особенно в отдаленных и труднодоступных районах.

Высокая надежность, которая обеспечивается однородностью структуры металла, хорошим соответствием между расчетными схемами и фактической работой конструкции и, следовательно, высокой точностью расчета, а также высокими пластическими свойствами металла.

Высокая индустриальность изготовления и монтажа. Основная масса металлических конструкций изготавливается на специализированных заводах, имеющих высокопроизводительное оборудование, по хорошо разработанной технологии. На этих заводах имеются механизированные полуавтоматические линии по производству сварных балок, сквозных прогонов, ферм и т.д.

Монтаж металлических конструкций также индустриален, так как осуществляется специализированными организациями с использованием высокопроизводительной техники. В настоящее время широко применяется конвейерная сборка конструкций внизу и монтаж крупными блоками, что резко снижает сроки строительства и повышает качество конструкций.

Хорошая сборность конструкций. Соединения, применяемые в металлических конструкциях (сварные, болтовые), хорошо разработаны и легко осуществимы, поэтому сборка на строительной площадке сооружения из отдельных элементов, выполненных на заводе (балок, колонн, ферм), производится быстро. Быстрой сборке способствует также высокая точность изготовления металлических конструкций.

Газо- и водонепроницаемость, обусловленные большой плотностью металла. Это свойство определяет широкое использование металла для резервуаров, газгольдеров, трубопроводов, гидроизоляции подземных сооружений.

Сравнительная простота ремонта и восстановления металлических конструкций позволяет в короткие сроки вводить в строй разрушенные объекты при небольшой затрате нового металла. Кроме того, металлические конструкции проще, чем конструкции из других материалов, поддаются усилению, в том числе под нагрузкой, что важно при необходимости увеличения мощности кранового оборудования зданий и т. п.

Наряду с перечисленными достоинствами, металлические конструкции имеют и недостатки.

Подверженность коррозии (ржавлению), предупреждение которой требует специального ухода за конструкциями и дополнительной затраты средств на очистку, окраску и т. д. Конструктивные формы элементов и узлов должны обеспечивать легкий доступ для проведения этих операций и быть такими, чтобы на них не происходило скопления пыли, влаги. Алюминиевые сплавы обладают значительно более высокой коррозионной стойкостью, чем сталь. Имеются также атмосферостойкие стали, например, марки 10ХНД17.

Малая огнестойкость, которая проявляется в снижении прочности и модуля упругости при высоких температурах, что приводит к потере несущей способности конструкции. Модуль упругости стали начинает снижаться при температуре 200° С, а при 600° С сталь полностью переходит в пластическое состояние. Алюминиевые сплавы переходят в пластическое состояние, т.е. теряют несущую способность, при температуре 300° С. В необходимых случаях для повышения огнестойкости металлических конструкций предусматривают огнестойкую облицовку (бетон, специальные покрытия).

1.3 Требования, предъявляемые к металлическим конструкциям

При проектировании, как металлических конструкций, так и конструкций из других материалов приходится преодолевать значительные трудности, ибо они должны отвечать целому ряду требований.

Соответствие назначению и условиям эксплуатации. Это безусловное требование является определяющим при выборе конструктивной формы сооружения и материала для него, а также при назначении основных размеров сооружения.

Надежность конструкций, т. е. обеспечение прочности, устойчивости, жесткости сооружения и его элементов при восприятии заданных нагрузок. Выполнение этого требования достигается строгим соблюдением положений нормативных документов при проектировании, изготовлении, монтаже и эксплуатации конструкций, а также качеством применяемых материалов, соответствием их характеристик государственным стандартам.

Возможно меньшая затрата материала. Это важнейшее требование в условиях дефицита металла. Его выполнение достигается принятием рациональной конструктивной формы сооружения и элементов, точностью расчетов, правильным выбором марок сталей или алюминиевых сплавов, применением эффективных профилей элементов и т. д.

Возможно меньшая затрата труда на изготовление и монтаж конструкций. Для выполнения этого требования конструкции должны быть как можно проще и проектироваться с учетом наиболее современных технологических приемов при изготовлении, которые обеспечивают снижение трудоемкости. Конструкции должны быть высокой заводской готовности, иметь удобные монтажные соединения (преимущественно на болтах), что обеспечивает быстрый монтаж с наименьшими трудозатратами.

Удобство транспортировки. При проектировании металлических конструкций необходимо предусматривать возможность их перевозки на строительную площадку тем или иным видом транспорта (чаще по железной дороге) целиком или по частям, в виде отправочных марок, которые не только должны вписываться в габарит погрузки транспорта, но и быть достаточно крупными, чтобы упростить укрупнительную сборку при монтаже. Особое значение требование удобства перевозки имеет для конструкций, возводимых в отдаленных и труднодоступных районах.

Понятно, что создание конструкции, отвечающей в полной мере всем отмеченным требованиям, невозможно, так как некоторые из них противоречивы. Так, если исходить из требования затраты минимума материала, то при этом получится более сложная конструкция и, следовательно, увеличится трудоемкость ее изготовления. И наоборот, стремление максимально упростить конструкцию для облегчения ее производства, транспортировки и монтажа, как правило, приводит к большему расходу материала.

Задача по созданию той или иной конструкции не решается однозначно, всегда может быть предложено несколько вариантов. Выбор наилучшего из них должен производиться путем технико-экономического сравнения возможных конструктивных решений. При этом надо руководствоваться принципом проектирования, который состоит в стремлении сочетать надежность конструкции с наибольшей экономией металла и наименьшей трудоемкостью изготовления и монтажа, а, следовательно, с сокращением сроков строительства. Преодоление противоречивости, содержащейся в этих требованиях, заставляет искать более рациональные конструктивные формы, совершенствовать методы расчета, создавать стали и алюминиевые сплавы новых марок, более эффективные профили, т.е. обусловливает развитие металлических конструкций как отрасли науки и техники.

1.4 Основные причины аварий металлических конструкций

Металлические конструкции находятся в несколько худшем положении, чем инженерные конструкции, выполненные из других материалов. Высокие расчетные сопротивления и обусловленные ими легкость и ажурность металлических конструкций могут привести к тому, что недостаточное сопротивление только одного конструктивного элемента (затяжки в арках и рамах, ванты в вантовых конструкциях) вызывает аварию всей конструкции. В строительной практике известны такие примеры, когда причиной аварии каменных, бетонных, деревянных и других конструкций были дефекты металлических элементов, входящих в общий конструктивный комплекс.

При исследовании аварий конструкций, их отдельных элементов или целых сооружений всегда имеет место стечение ряда неблагоприятных факторов. Иногда бывает трудно правильно установить причину аварий и отделить ее от следствия, а это играет важную роль не только для расследования причин катастрофы, но и для их профилактики в будущем. Так, например, потеря устойчивости конструкции в ряде случаев могла бы и не иметь места, если бы не было перегрузки, а последняя явилась следствием нелепой случайности и т. п. Без преувеличения можно сказать, что почти при каждом случае аварии наблюдается потеря устойчивости отдельными элементами конструкции, не говоря уже о том, что одной из самых распространенных причин аварий является потеря устойчивости всей конструкции или сооружения в целом. Недостатки, допущенные при проектировании, взаимодействуют с ошибками при монтаже, неправильной эксплуатацией, и все это обычно приводит к аварии. Гораздо реже аварию обусловливает какой-то единственный недостаток или единственная ошибка. Современные методы проектирования и расчета обеспечивают, как правило, достаточные запасы прочности в конструкциях и их отдельных элементах.

Основные причины аварий: перегрузка, потеря устойчивости, хрупкое разрушение конструкций, ошибки при проектировании.

Анализ большого числа аварий и аварийных состояний конструкций позволяет придти к выводу, что большинство их происходит в результате снеговой перегрузки, на которую при эксплуатации сооружений не обращают должного внимания. Это и понятно: если, например, увеличивается крановая нагрузка, делается какая-либо реконструкция сооружения, сразу же возникает вопрос о перерасчете конструкций, их усилении и пр.

Принятые же в свое время к эксплуатации сооружения, зачастую выполненные по типовым проектам, рассчитанные на усредненные, а не на реальные для каждого конкретного объекта нагрузки, продолжают эксплуатировать, не обращая внимания на несоответствие между проектными и реальными нагрузками.

При изучении и расследовании причин аварий конструкций зданий и сооружений ряда производственных цехов цементных заводов установлено, что обрушение кровельных покрытий обусловлено в основном значительной перегрузкой конструкций, большим скоплением сцементированной технической пыли на кровле и, как исключение, другими причинами.

За редким исключением, нет почти ни одной аварии, ни одного крушения, в которых не имела бы места потеря устойчивости отдельными элементами или всей конструкцией. Потеря устойчивости может быть общая или местная. Опасность аварии от потери устойчивости особенно велика потому, что потеря устойчивости может наступить внезапно. Например, при достижении в элементе конструкции сжимающей силой своего критического значения достаточно дать малейший толчок в поперечном к продольной оси направлении, чтобы стержень потерял устойчивость. Из всех инженерных конструкций металлические наиболее подвержены потере устойчивости, так как они выполняются из сравнительно тонких и длинных стержней.

Потеря общей или местной устойчивости сжатыми элементами очень часто происходит из-за:

- отсутствия надлежащей развязки сжатых поясов, как при монтаже, так и в период эксплуатации;

- несвоевременной постановки постоянных и временных связей жесткости;

- при наличии в конструкции случайно изогнутых стержней.

Например, при использовании верхнего пояса ферм для подъема грузов или же при применении в стержневых конструкциях уголковых профилей малых размеров, которые при транспортировке и монтаже получают искривления, вмятины и ряд других дефектов. Нередки случаи потери устойчивости в стержневых системах фермы, арки, рамы вследствие недоучета знакопеременности усилий. В таких случаях стержни должны быть проверены дважды -- на растяжение и на сжатие с продольным изгибом. Последнее, если даже оно мало по сравнению с растягивающим усилием, вызывает продольный изгиб стержня, который может привести к выходу из строя сначала одного стержня, перераспределению усилий в остальных и, в конечном итоге, к аварии.

Известно огромное число аварий, вызванных отсутствием, недостаточным количеством, неправильной или несвоевременной расстановкой связей пространственной жесткости. Сказанное относится почти ко всем плоским и пространственным конструкциям. Плоские конструкции -- фермы, арки, рамы с неправильно сконструированными связями -- плохо сопротивляются изгибу из плоскости конструкций. Небольшая перегрузка или дефекты монтажа могут вызвать обрушение. Все это часто приводит к катастрофам.

После аварий, вызванных потерей устойчивости, аварии в результате хрупкого разрушения занимают, пожалуй, первое место. Этот вид разрушений, следуя нашей классификации, логично отнести к авариям, основными причинами которых являются неудачные проектные решения или отступления от проекта. Последнее имеет место в тех случаях, когда проектная марка стали без соответствующего на то обоснования заменяется другой.

Хрупкое разрушение стали может иметь место:

- при работе конструкций в условиях низких температур (наиболее часто встречающееся разрушение);

- в случае применения материалов, подверженных хрупкому разрушению; при этом аварии могут иметь место и при нормальных температурах;

- под влиянием различных дефектов в основном металле и сварных швах;

- при определенных условиях напряженного состояния материала;

- при действии на конструкцию ударных и других видов динамических нагрузок.

Авторы проектов простых и сложных металлоконструкций должны совершенно четко до мельчайших подробностей представлять себе процесс сборки и монтажа конструкций, избегать асимметрии и эксцентриситетов в конструкциях, чтобы при монтаже сжатые стержни не получали свободную длину больше той, которая будет в условиях нормальной эксплуатации.

Небольшое упущение, допущенное при проектировании монтажа, может привести к аварии при его выполнении.

Неправильное ведение монтажа конструкций и оборудования, нетщательно продуманные места строповки конструкций часто приводят к авариям. Особенно опасна строповка за элементы несущих конструкций вне узлов. Наиболее часты аварии при монтаже из-за несвоевременной постановки связей, обеспечивающих пространственную жесткость плоских конструкций, недостаточного закрепления связей (только их «прихватка»), несвоевременной постановки монтажных болтов, распорок и т. п.

При монтаже плоских конструкций (фермы, рамы) особое внимание следует обращать на расчалку первой фермы. Работа эта весьма ответственна и требует тщательного исполнения, так как при неправильном ее выполнении ферма может опрокинуться и упасть с опор. Поднятая первая ферма представляет собой плоскую неустойчивую систему, которая самостоятельно не может находиться в равновесии. Ферма должна быть хорошо расчалена. Затем необходимо тщательно выверить, нет ли выпучивания отдельных участков ферм вследствие возможного неравномерного натяжения расчалок. Только после этого приступают к установке второй и последующих ферм. Установленную вторую ферму надо сразу закрепить с первой, чтобы образовать пространственный блок. Последующие фермы также схватываются связями, распорками, сборными плитами с прежде установленными фермами. Целесообразно вначале поднимать спаренные фермы связевого блока. Категорически должно быть запрещено временное соединение между собой конструкций при их монтаже с помощью канатов и дощатых расшивок. Связи сразу должны ставиться постоянные. Еще раз подчеркиваем, что правильная и своевременная расстановка связей играет большую роль в предотвращении аварий.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. Область применения металлических конструкций.

2. Перечислите основные особенности металлических конструкций

3. Достоинства и недостатки металлических конструкций.

4. Назовите основные этапы проектирования металлических конструкций.

5. Причины аварий металлических конструкций.

ГЛАВА II. МАТЕРИАЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В СТРОИТЕЛЬНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЯХ

2.1 Стали

Для изготовления металлических конструкций используются малоуглеродистые стали с содержанием углерода 0,09 - 0,22 %. Особенности работы малоуглеродистой стали рассмотрим на диаграмме напряжений, получаемой при растяжении образцов. На диаграмме можно выделить четыре основных стадии работы стали (рис. 8).

Рис. 8. Диаграммы напряжений строительной стали:

а - сталь обычной прочности; б - сталь повышенной и высокой прочности; в - сравнение площадей диаграмм растяжения пластичной 1 и хрупкой 2 стали

Качество стали, применяемой при изготовлении металлических конструкций, определяется ее механическими свойствами: сопротивлением статическим воздействиям -- временным сопротивлением и пределом текучести при растяжении; сопротивлением динамическим воздействиям и хрупкому разрушению -- ударной вязкостью при различных температурах; показателями пластичности -- относительным удлинением; сопротивлением расслоению -- загибом в холодном состоянии. Значения этих показателей устанавливаются ГОСТ. Кроме того, качество стали определяется ее свариваемостью, которая гарантируется соответствующим химическим составом, стали и технологией ее производства.

По прочности стали делятся на три группы:

- малоуглеродистые стали обычной прочности, имеющие браковочное значение предела текучести у_у =230 МПа и временное сопротивление разрыву у_u = 380 МПа;

- стали повышенной прочности у_у = 290-400 МПа и у_u = 440-520 МПа;

-стали высокой прочности (низколегированные и термически упрочненные) у_у = 450-750 МПа и более и у_u =600-850 МПа и более.

Механические свойства стали и ее свариваемость зависят от химического состава, термической обработки и технологии прокатки.

Основу стали составляет феррит. Феррит имеет малую прочность и очень пластичен, поэтому в чистом виде в строительных конструкциях не применяется. Прочность его повышают добавками углерода -- малоуглеродистые стали обычной прочности; легированием марганцем, кремнием, ванадием, хромом и другими элементами -- низколегированные стали повышенной прочности; легированием и термическим упрочнением стали высокой прочности.

Малоуглеродистые стали. Из группы малоуглеродистых сталей обыкновенного качества, производимых металлургической промышленностью по ГОСТ 380--71*, широкое применение в строительстве находит сталь марок Ст3 и Ст3Гпс.

Сталь марки Ст3 производится кипящей, полуспокойной и спокойной мартеновским и кислородно-конверторным способами.

В зависимости от назначения сталь поставляется по следующим трем группам:

А -- по механическим свойствам;

Б -- по химическому составу;

В -- по механическим свойствам и химическому составу.

Таблица 1. Механические свойства стали марок Ст3 и Ст3Гпс

Марка	Временное сопротивление, кН/см2	Предел текучести у, кН/см2, для толщин, мм	Относительное удлинение еu, %, для толщин, мм	Изгиб на 180° (а -- толщина образца, d -- диаметр оправки) для толщин, мм
		до 20	21--40	41--100	до 20	21--40	Свыше 40	до 20	свыше 20
		не менее
Ст3кп	37--47	24	23	22	27	26	24	d=0,5 a	Диаметр оправки увеличивается на толщину образца
Ст3пс, Ст3сп, Ст3Гпс	38--49	25	24	23	26	25	23

Примечания: 1. Допускается превышение верхнего предела временного сопротивления на 3 кН/см². 2 .Для листовой и широкополосной стали всех толщин и фасонной стали 20 мм значение предела текучести допускается на 1 кН/см² ниже по сравнению с указанным. Для листовой стали толщиной 4--8 мм допускается снижение относительного удлинения на 1% (абсолютный) на каждый миллиметр уменьшения толщины. Нормы относительного удлинения листов толщиной менее 4 мм устанавливаются соответствующими стандартам.

Поскольку для несущих строительных конструкций необходимо обеспечить прочность и свариваемость, а также надлежащее сопротивление хрупкому разрушению и динамическим воздействиям, сталь для этих конструкций заказывается по группе В, т.е. с гарантией механических свойств и химического состава.

Сталь марки Ст3 содержит углерода 0,14--0,22%, марганца в кипящей стали 0,3--0,6%, в полуспокойной и спокойной 0,4--0,65%, кремния в кипящей стали от следов до 0,07%, в полуспокойной 0,05--0,17%, в спокойной 0,12--0,3%. Сталь марки Ст3Гпс с повышенным содержанием марганца имеет углерода 0,14--0,22%, марганца 0,8--1,1%, кремния -- до 0,15 %.

В зависимости от вида конструкций и условий их эксплуатации к стали, из которой они изготовляются, предъявляются те или другие требования. Эти требования нормированы и записаны в ГОСТ 380--71*. В зависимости от предъявляемых требований углеродистая сталь разделена на шесть категорий. Стали марок Ст3, Ст3Гпс поставляются по 2-й--6-й категориям (табл. 2). При этом кипящая сталь изготовляется по 2-й категории -- ВСт3кп2, полуспокойная -- по 6-й категории -- ВСт3пс6, спокойная и полуспокойная с повышенным содержанием марганца--по 5-й категории -- ВСт3пс5, ВСт3Гпс5.

Согласно ГОСТ 380--71*, маркировка стали производится так: вначале ставится соответствующее буквенное обозначение группы стали, затем марка, далее способ раскисления и в конце категория; например, сталь группы. В (поставляемой по механическим свойствам и химическому составу) марки Ст3 полуспокойная, категории 6 имеет обозначение ВСт3псб.

Стали повышенной и высокой прочности. Для многих видов конструкций применяются стали повышенной и высокой прочности, которые. поставляются по ГОСТ 19281--73 и ГОСТ 19282--73. В зависимости от нормируемых свойств (химического состава, временного сопротивления, предела текучести, ударной вязкости при разных температурах и после механического старения) согласно ГОСТ эти стали подразделяют на 15 категорий.

Применение стали повышенной прочности приводит к экономии металла до 20--25%, а высокой прочности -- 25--50% по сравнению с обычной углеродистой сталью.

Области применения стали разных марок. Марку стали, если по условиям эксплуатации конструкций не выдвигается специальных требований, выбирают на основе вариантного проектирования и технико-экономического анализа с учетом указаний, изложенных в СНиП II -23-81*.

Марку стали согласно СНиП II -23-81 выбирают в соответствии с режимом работы конструкции и температурой ее эксплуатации. В зависимости от условий эксплуатации и монтажа все виды конструкций разделены на группы (Приложение I, табл. 50) [1].

Таблица 2 Нормируемые показатели для стали марок Ст3 и Ст3Гпс

Категория	Марка стали всех степеней раскисления и с повышенным содержанием марганца	Химический состав	Временное сопротивление	Предел текучести	Относительное удлинение	Изгиб в холодном состоянии	Ударная вязкость
							при температуре, °С	После механического старения
							+20	+20
2	ВСт3, ВСт3Гпс	+	+	+	+	+	--	--	--
3		+	+	+	+	+	+	--	--
4		+	+	+	+	+	--	+	--
5		+	+	+	+	+	--	+	+
6		+	+	+	+	+	--	--	+

Температурные воздействия для выбора марки стали разбиты на четыре интервала от положительной до --30° С, от --31 до --40, от --41 до --50 и от --51 до --65° С. Вполне естественно, что при этом для конструкции первой группы и воздействии низких температур следует применять сталь, хорошо сопротивляющуюся усталостному и хрупкому разрушению, а для конструкций последней группы -- более дешевые углеродистые стали обычной прочности, причем включая даже кипящие.

2.2 Алюминиевые сплавы

Алюминий по своим свойствам существенно отличается от стали. Его удельный вес 2,64--2,8 т/м³, т.е. он почти в три раза легче стали. Он менее жесток, модуль упругости алюминия Е=7100 кН/см², что также в три раза меньше. Алюминий не имеет площадки текучести. За предел текучести принимается напряжение, соответствующее относительному остаточному удлинению 0,2%. Алюминий очень пластичен: удлинение при разрыве чистого алюминия достигает 40--60%, но прочность его весьма низка, предел прочности чистого алюминия составляет только 7,5--9 кН/см², предел текучести 3--4 кН/см². Чистый алюминий легко коррозирует, но очень скоро покрывается тонкой пленкой весьма прочной окиси, прекращающей дальнейшую коррозию.

Вследствие весьма низкой прочности алюминий в чистом виде в конструкциях не применяют.

Упрочняют алюминий:

1) легированием -- сплавлением с другими металлами, которое повышает прочность, но снижает пластичность и несколько ухудшает стойкость против коррозии;

2) нагартовкой (вытяжкой);

3) термической обработкой и естественным или искусственным старением.

Поэтому алюминиевые сплавы имеют большое число марок.

В строительстве применяют следующие сплавы.

1.Сплавы алюминия с магнием (марки АМг5В и АМг6) хорошо свариваются и весьма коррозиеустойчивы. Термической обработке не подвергаются; их прочностные показатели, определяемые присадкой титана или ванадия, оказываются несколько ниже показателей стали 3 (предел прочности для сплава АМг6 около 32 кН/см², предел текучести--16 кН/см², удлинение--15%). Однако пониженные механические характеристики частично погашаются небольшой массой алюминия, в результате чего применение алюминия дает более легкую конструкцию, несмотря на низкую прочность.

Сплав АМг6 содержит 6--7% магния и 0,5--0,8% марганца.

Могут применяться (преимущественно в ограждающих конструкциях) сплавы с меньшими прочностными показателями. К их числу относится сплав АМг, содержащий всего 2,5% магния.

2.Сплавы алюминия с медью и магнием и небольшим количеством марганца наиболее хорошо изучены и называются дюралюминами (марка Д). Дюралюмин -- наиболее дешевый алюминиевый сплав.

Применяются следующие марки дюралюмина:

а)Д16-Т -- прочный сплав, имеющий после термической обработки и естественного старения предел прочности 40--52 кН/см², предел текучести 28--38 кН/см² и удлинение 10--13%; в отожженном состоянии (марка Д16-М) предел прочности снижается до 23 кН/см² при удлинении 13%; в сплав Д16 входит около 4% меди, -- 1,5% магния и -- 0,06% (в среднем) марганца;

б)Д1-Т -- сплав, имеющий после термической обработки и естественного старения предел прочности (приблизительно) 36 кН/см², предел текучести 22 кН/см² и удлинение 12%; сплав Д1-Т содержит 4% меди и 0,6% магния.

Дюралюмин плохо сваривается и склонен к образованию трещин при высоких температурах, поэтому его применяют преимущественно в клепаных конструкциях. Стойкость дюралюмина против коррозии несколько ниже, чем у магниевых сплавов. Для повышения стойкости против коррозии листы дюралюмина часто применяют плакированными, т.е. покрытыми тонким слоем чистого алюминия.

3. Сплавы алюминия с кремнием и магнием. К их числу относится сплав АВ, называемый авиалем. В химический состав авиаля входят: кремния около 1%, магния -- 0,7%, меди -- 0,4%, марганца или хрома -- 0,25% (в среднем). После термической обработки и искусственного старения авиаль имеет предел прочности 28--33 кН/см², предел текучести 23--28 кН/см².

Авиаль очень стоек против коррозии и пластичен, но более дорог. Он хорошо сваривается атомно-водородной и точечной сваркой. Отожженный авиаль (марка АВМ) имеет более низкие характеристики (предел прочности приблизительно 12 кН/см² при удлинении -- 24%). К той же группе относится сплав АД33 (кремний около 0,6% и магний -- 1%), имеющий примерно одинаковые с авиалем прочностные характеристики.

4. Высокопрочные сплавы (марки В); основными компонентами их являются: цинк, медь и марганец _в=50--55 кН/см², _т = 40--45 кН/см² е=6% (марка В95-Т1).

Обычно в конструкциях применяются сплавы после термической обработки и старения (марки Т), отожженные сплавы (марки М) применяются для ограждений (кровель), а также для сосудов, изготовление которых сопровождается большими пластическими деформациями.

Для сварных конструкций применяют магниевые сплавы и авиаль, для клепаных -- дюралюмин и авиаль. Высокопрочные сплавы применяют в исключительных случаях.

Области применения алюминиевых конструкций. Конструкции из алюминия благодаря малой массе, высокой стойкости против коррозии, хладостойкости, антимагнитности, отсутствию искрообразования, долговечности и хорошего вида находят применение во многих областях строительства. Большое распространение они получают в труднодоступных, сейсмических и северных районах страны. Особенно выгодно применять алюминий в конструкциях, сочетающих ограждающие и несущие функции. К таким конструкциям относятся панели перекрытий и стен, листовые перекрытия больших пролетов. Рационально применять алюминий при перекрытии больших пролетов арками, куполами, складками и другими конструкциями. Он применяется в башнях и мачтах, затворах плотин, резервуарах, в сборно-разборных перевозимых конструкциях. Большое применение алюминий получил в переплетах, витражах и изделиях для внутренней и внешней отделки зданий.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. Какие стали используются для изготовления металлических конструкций

2. Изобразите диаграмму напряжений стали обычной прочности

3. На какие группы по прочности делятся стали.

4. От чего зависят механические свойства стали.

5. Перечислите добавки, повышающие прочность стали.

6. Области применения стали разных классов и марок.

7. Свойства алюминия и методы его упрочнения.

8. Какие сплавы алюминия применяют в строительстве.

9. Области применения алюминиевых конструкций.

ГЛАВА III. КРОВЛИ ПО МЕТАЛЛИЧЕСКИМ ФЕРМАМ

3.1 Общие сведения

Ферма -- это сквозная конструкция, состоящая из стержней, соединенных в узлах и образующих геометрически неизменяемую систему (рис. 9). Ферма имеет верхний и нижний пояса и решетку. Вертикальные элементы решетки называются стойками, а наклонные -- раскосами. Расстояние между узлами фермы (вдоль пояса) называется панелью.

Если нагрузка приложена в узлах, то элементы фермы испытывают центральное сжатие или растяжение. При этом напряжения по сечениям элементов распределены равномерно, поэтому материал в фермах используется более рационально, чем в балках.

Рис. 9. Кровли по металлическим фермам: 1-панель верхнего пояса; 2-панель нижнего пояса; 3 -нисходящий раскос; 4 -восходящий раскос; 5 - стойка; 6 - узел

Фермы экономичнее балок по расходу материала, но более трудоемки в изготовлении, поскольку имеют большое число деталей. С увеличением перекрываемых пролетов и уменьшением нагрузки эффективность ферм по сравнению со сплошностенчатыми балками растет.

Стальные фермы получили широкое распространение во многих областях строительства: в покрытиях и перекрытиях промышленных и гражданских зданий, мостах, опорах линий электропередачи, объектах связи, телевидения и радиовещания (башни, мачты), транспортерных галереях, гидротехнических затворах, грузоподъемных кранах и т.д.

Фермы бывают плоскими (все стержни лежат в одной плоскости) и пространственными.

Плоские фермы могут воспринимать нагрузку, приложенную только в их плоскости, и нуждаются в закреплении из своей плоскости связями или другими элементами.

Пространственные фермы образуют жесткий пространственный брус, способный воспринимать нагрузку, действующую в любом направлении. Каждая грань такого бруса представляет собой плоскую ферму. Примером пространственного бруса может служить башенная конструкция.

В зависимости от назначения, архитектурных требований и схемы приложения нагрузок фермы могут иметь самую разнообразную конструктивную форму. Их можно классифицировать по следующим признакам: статической схеме, очертанию поясов, системе решетки, способу соединения элементов в узлах, величине усилия в элементах.

По статической схеме фермы бывают: балочные (разрезные, неразрезные, консольные), арочные, рамные и вантовые.

В покрытиях зданий, мостах, транспортерных галереях и других подобных сооружениях наибольшее применение нашли балочные разрезные системы. Они просты в изготовлении и монтаже, не требуют устройства сложных опорных узлов, но весьма металлоемки. При больших пролетах (более 40 м), разрезные фермы получаются негабаритными и их приходится собирать из отдельных элементов на монтаже.

При числе перекрываемых пролетов два и более применяют неразрезные фермы. Они экономичнее по расходу металла и обладают большей жесткостью, что позволяет уменьшить их высоту. Но как во всяких внешне статически неопределимых системах, в неразрезных фермах при осадке опор возникают дополнительные усилия, поэтому их применение при слабых просадочных основаниях не рекомендуется. Кроме того, необходимость создания неразрезности усложняет монтаж таких конструкций.

Консольные фермы используют для навесов, башен, опор воздушных линий электропередач. Рамные системы экономичны по расходу стали, имеют меньшие габариты, однако более сложны при монтаже. Их применение рационально для большепролетных зданий.

Применение арочных систем, хотя и дает экономию стали, приводит к увеличению объема помещения и поверхности ограждающих конструкций. Их применение диктуется в основном архитектурными требованиями.

В вантовых фермах все стержни работают только на растяжение и могут быть выполнены из гибких элементов, например стальных тросов. Растяжение всех элементов таких ферм достигается выбором очертания поясов и решетки, а также созданием предварительного напряжения. Работа только на растяжение позволяет полностью использовать высокие прочностные свойства стали, поскольку снимаются вопросы устойчивости. Вантовые фермы рациональны для большепролетных перекрытий и в мостах. Промежуточными между фермой и сплошной балкой являются комбинированные системы, состоящие из балки, подкрепленной снизу шпренгелем или раскосами, либо сверху аркой. Подкрепляющие элементы уменьшают изгибающий момент в балке и повышают жесткость системы. Комбинированные системы просты в изготовлении (вследствие меньшего числа элементов) и рациональны в тяжелых конструкциях, а также в конструкциях с подвижными нагрузками. Весьма эффективно применение комбинированных систем при усилении конструкций, например, подкрепление балки, при недостаточной ее несущей способности, шпренгелем или подкосами.

3.2 Кровельные конструкции

Стропильные фермы служат для поддержания кровельных конструкций и восприятия действующих на кровлю нагрузок. Конструкции кровли вместе со стропильными фермами и связями образуют кровельное покрытие производственного здания. Основное назначение кровельного покрытия состоит в защите помещений от атмосферных воздействий: снега, дождя, холода и т. д. Различают два типа покрытия: беспрогонное и прогонное (с прогонами).

3.2.1 Беспрогонное покрытие

В этом покрытии непосредственно на верхние пояса стропильных ферм опираются крупноразмерные железобетонные ребристые плиты (рис. 10). Каждая плита крепится к поясам ферм путем приварки ее закладных деталей не менее чем в трех точках (по углам).

Стандартные ребристые железобетонные плиты, выпускаемые по серии 1.465-7, имеют размеры в плане 3x6 или 1,5x6 м и высоту продольных ребер 0,3 м, их масса соответственно равна 2,7 и 1,5 т. По серии 1.465-3 выпускаются плиты с размерами в плане 3х12 и 1,5х12 м. Высота ребер плит шириной 3 м -- 0,45 или 0,455 м и масса изменяется от 5,7 до 7,4 т; высота продольных ребер плиты шириной 1,5 м составляет 0,45 м и масса 5,1 т. Точные размеры типовых плит показаны на рис. 10,б.

В продольных ребрах плит размещается предварительно напряженная арматура, от типа и сечения которой зависит несущая способность плит.

Кровли могут быть холодными и теплыми. В холодной кровле после заливки швов между плитами цементно-песчаным раствором или бетоном марки не ниже M100 делается асфальтовая или цементная стяжка (выравнивающий слой), а затем наклеивается водоизоляционный ковер из трех-четырех слоев рубероида или другого рулонного материала. В теплой кровле по железобетонным плитам укладывается утеплитель (пенобетон, керамзитобетон, жесткие минераловатные плиты и т. д.), а затем уже устраивается, стяжка и наклеивается водоизоляционный ковер.

Чтобы исключить механические повреждения водоизоляционного ковра при хождении по кровле и сбрасывании снега, предусматривается защитный слой толщиной 10 мм из мелкого гравия, втопленного в мастику.

Рис. 10. Беспрогонное покрытие: а -- схема покрытия; б -- типовые ребристые железобетонные плиты (в скобках даны размеры для плит длиной 12 м); 1 -- стропильные фермы; 2 -- плиты

Основным недостатком кровель с применением крупноразмерных железобетонных плит является их большая масса, в связи, с чем постоянная расчетная нагрузка от теплой кровли по железобетонным плитам составляет 2500--4500 Н/м² (250--450 кгс/м²). Для уменьшения нагрузки на фермы и другие несущие конструкции зданий в беспрогонных покрытиях могут использоваться: плоские керамзитобетонные плиты с размерами в плане 1,5х6 м и 3х6 м и толщиной 0,22 м, армированные стержневой предварительно напряженной арматурой. Преимущество этих плит состоит в том, что они совмещают функции, как несущих конструкций, так и утеплителя, что приводит к снижению общей массы кровли. Уменьшается также трудоемкость выполнения покрытия, так как отпадает необходимость устройства специального слоя утеплителя.

Значительного снижения массы кровли и, следовательно, уменьшения нагрузок на нижележащие конструкции можно достичь применением легких стальных или алюминиевых панелей шириной 1,5 или 3 метра и длиной 6 или 12 метров. Каркас этих панелей, выполняемый обычно из гнутых профилей, обшивается с двух сторон тонкими листами из стали или алюминиевых сплавов. Между обшивками помещается эффективный утеплитель. Вместо гладких листов обшивки может использоваться профилирований настил.

Легкие стальные и алюминиевые утепленные панели дороги, поэтому их применение должно быть экономически обосновано. Например, их целесообразно использовать при строительстве в отдаленных или труднодоступных районах, так как при этом значительно снижаются транспортные затраты, и в сейсмических районах, ибо за счет уменьшения массы покрытия значительно уменьшаются инерционные нагрузки на каркас здания.

...