Металические конструкции

Казанская Государственная Архитектурно-Строительная Академия.

Реферат на тему:

«Металлические конструкции».

Выполнил: Сабирзянов И.И. гр. 08-202

Проверил: Камалова З.А.

2003 г.

Содержание.

1. Общие сведения.

2. Общие характеристики.

2.1 . Номенклатура стальных конструкций.

2.2. Достоинства и недостатки стальных конструкций.

2.3. Требования, предъявляемые к металлическим конструкциям.

3. Конструкции из металла.

3.1. Балки и балочные конструкции.

3.1.1. Классификация балок.

3.1.2. Прокатные балки.

3.1.3. Составные балки.

3.1.4. Дистальные балки.

3.1.5. Балки замкнутого сечения.

3.1.6. Балки с гибкой стенкой.

3.1.7. Балки с гофрированной стенкой.

3.1.8. Балки с перфорированной стенкой.

3.2. Колонны и элементы стержневых конструкций.

3.3. Фермы.

3.4. Технологические площадки.

3.4.1. Общие сведения. Классификация.

3.4.2. Балочные клетки.

3.4.3. Настилы.

3.4.4. Лестницы и переходные площадки.

4. Список литературы.

Общие сведения.

С развитием металлургической промышленности растет объем и номенклатура металлических изделий в строительстве и особен-но ассортимент из алюминия. Из стального проката возводят каркасы промышленных и гражданских зданий, мосты, изготов-ляют арматуру для железобетона, кровельную сталь, трубы, а также различные металлические изделия, заклепки, болты, гвоз-ди, шурупы. Различный профиль алюминия используют для изготовления несущих и ограждающих конструкций, ф Широкому использованию металлов в строительстве спо-собствует ряд их ценных технических свойств: высокая прочность, пластичность, повышенная теплопроводность, электропровод-ность и свариваемость. Наряду с этим металлы, и особенно сталь и чугун, при действии различных газов и влаги сильно корроди-руют и требуют специальной защиты.

Вопросы экономии металла в отрасли сборного железобетона наряду с проблемой снижения трудоемкости изготовления изде-лий арматуры имеют большое значение.

К перерасходу металла в строительстве ведут следующие при-чины: замена арматуры проектных диаметров и классов, а также профилей проката, имеющимися в наличии; технологические по-тери, обусловленные особенностями производства (отходы кон-цов напрягаемых стержней, используемых для установки захва-тов, отходов прядей на длинном стенде, на участках между формами и т. д.); отходы при заготовке арматуры и изделий из нее и раскрое проката; прокат арматуры с положительными допусками: брак; разрушение конструкций при контрольных испытаниях.

Причинами перерасхода стали являются нерациональный рас-крой металлопроката по чертежам, замена проектных профилей и листов на имеющиеся в наличии больших сечений и толщин, применение стали повышенной и высокой прочности без соответ-ствующего перерасчета конструкций, недостатки в организации поставки металлопроката металлургическими заводами.

Сложившийся удельный вес в строительной индустрии при производстве железобетона и строительных конструкций состав-ляет (%): завышение номинального диаметра арматурной ста-ли-- 62,4; плюсовые допуски проката-- 12,0; немерные длины свариваемых марок стали -- 25,6.

Значительная доля металлических изделий, используемых в строительстве, приходится на стальную арматуру.

Потери металла при производстве арматурных работ обуслов-лены прежде всего уровнем технологического оборудования и оснастки, особенностями технологии.

Основные причины потерь арматурной стали (удельный вес в общем расходе, %): отходы напрягаемой арматуры -- 7,5; отхо-ды при р.аскрое стержней в резке бухт -- 2,6; отступления от проекта-- 1,0; выпуск бракованной продукции -- 0,5.

Разработка и внедрение линий для безотходной сварки и рез-ки арматурных стержней всех классов,

Для предотвращения от коррозии до применения арматура должна быть защищена от атмосферных осадков и других источ-ников увлажнения. Высокопрочную арматуру следует хранить в сухих закрытых складских помещениях с относительной влаж-ностью воздуха не выше 60%. Не допускается хранение такой арматуры на земляном полу, агрессивных или загрязненных агрессивными веществами подкладках, а также вблизи местона-хождения или выделения агрессивных веществ (соли, газы, аэрозоли). Допускается хранение без ограничения относительной влажности воздуха высокопрочной арматуры в атмосфере, насы-щенной парами летучих ингибиторов, которая может быть созда-на под герметизированными колпаками, во временных хранили-щах, защищенных от атмосферных осадков.

Допустимым коррозионным поражением арматуры считается такое, при котором налет ржавчины может быть удален про-тиркой .сухой ветошью. При невыполнении указанного условия высокопрочную арматуру подвергают специальной проверке на склонность к хрупкому коррозионному разрушению.

При использовании арматуры с цинковым алюминиевым покрытием не допускается ее правка с помощью станков, вызы-вающих механическое разрушение покрытия, а при контактной сварке режим должен быть подобран из условия наименьшего повреждения покрытия. Дуговая сварка указанной арматуры не допускается.

Для защиты арматуры, используемой в ячеистых и силикат-ных бетонах автоклавного твердения, используют защитные покрытия (обмазки) в виде холодной цементно-битумной масти-ки, горячей ингибированной битумно-цементной или латексно-минеральной и других видов обмазок.

Толщина высушенного защитного покрытия на арматуре должна быть 0,3...0,4 мм при использовании холодной цементно-битумной мастики и не менее 0,5 мм при использовании цементно-полистирольной. При нанесении покрытий в электриче-ском поле толщина их может быть уменьшена соответственно до 0,2...0,3 мм и 0,4 мм.

Защита арматуры от коррозии, т. е. ее длительная сохран-ность в процессе эксплуатации железобетонной конструкции, в значительной мере зависит от технологии ее изготовления, за исключением тех случаев, когда используются специальные защитные покрытия, наносимые на поверхность арматуры.

Общая характеристика и основы проектирования металлических конструкций

2.1       Номенклатура стальных конструкций

Стальные конструкции используют в различных инженерных сооружениях, которые в зависимости от конструктивной формы и назначения можно разделить на следующие виды.

1. Одноэтажные производственные здания. Такие здания могут быть однопролетными и многопролетными, в том числе с пролетами разной высоты, со встроенными рабочими площадками и многоэтажными вставками. Размеры в плане их весьма разнообразны: от нескольких десятков метров до 1 км и более. Производственные здания обычно оборудуют встроенными транспортными средствами в виде конвейеров, подвесных или мостовых опорных кранов. В бескрановых зданиях используют напольный транспорт (электрокары, погрузчики и пр.).

До недавнего времени стальной каркас разрешалось применять в производственных зданиях при пролетах 24 м и более, высоте более 18 м и при грузоподъемности кранов более 50 т. Сейчас эти ограничения сняты и стальные конструкции находят широкое применение для создания ремонтных мастерских, укрытий для сельхозтехники, навесов, складских помещений и других зданий при пролетах 12 ... 18 м. Получили распространение здания-модули полной заводской готовности на основе арочных конструкций, сводов из объемно-формованного тонкого листа, структурных конструкций (пространственных решетчатых систем).

Наряду со стальными применяют смешанные каркасы, в которых по железобетонным колоннам устанавливают стальные конструкции покрытия и подкрановые пути.

2. Малоэтажные здания. Прежде такие здания строили из кирпича, железобетона, дерева и других традиционных строительных материалов. Сейчас в подобных зданиях используют также сталь и алюминиевые сплавы, из которых делают каркас, обшивку утепленных стен, оконные переплеты, двери, встроенные шкафы, обрешетку перегородок. Освоено изготовление цельнометаллических зданий комплектной поставки "под ключ".

3. Высотные здания. Многоэтажные здания (20 ... 30 этажей и выше) используют главным образом в гражданском строительстве, в условиях плотной застройки больших городов. Их обычно проектируют с четким разделением конструкций на несущие и ограждающие. Функции несущих конструкций выполняет стальной каркас, а ограждающих - легкие стеновые панели из эффективных теплоизоляционных материалов, в том числе панели с обшивками из стали

или алюминиевых сплавов.

4. Большепролетные здания. Большие пролеты (50 ... 150 м и более) имеют спортивные сооружения, крытые рынки, выставочные павильоны и некоторые производственные здания (ангары, авиасборочные цехи и др.). Для перекрытия таких пролетов, как правило, используют стальные конструкции. Системы и конструктивные формы большепролетных покрытий очень разнообразны. Здесь возможны балочные, рамные, арочные, купольные, висячие и комбинированные системы, причем как плоские, так и пространственные.

Основной нагрузкой в большепролетных зданиях является собственный вес, для снижения которого рационально применять облегченные ограждающие конструкции, стали повышенной и высокой прочности, различные способы регулирования усилий, .в том числе

предварительное напряжение.

5. Мосты, эстакады. Пролетные строения мостов на железных и автомобильных дорогах выполняют из металла при больших (до 1 км и более), а также средних (30...60 м) пролетах. В последнем случае стальным мостам отдают предпочтение при сжатых сроках возведения и при строительстве на стратегических дорогах, учитывая возможность их быстрого восстановления.

Мосты и эстакады имеют разнообразные системы: балочные, арочные, висячие. В балочных системах часто применяют сталежеле-зобетонные балки, объединяя стальные главные балки пролетного строения с железобетонной плитой проезжей части для совместной работы на изгиб.

6. Башни и мачты. Большую группу подобных конструкций составляют антенные устройства для телевидения, радиовещания и многоканальной телефонной связи. При передаче средних волн мачта высотой 200 ... 500 м может выполнять функции излучателя. В иных случаях башни и мачты служат для размещения на определенной высоте проволочной сети или специальных антенных устройств.

Опоры воздушных линий электропередачи служат для передачи электроэнергии по проводам, прикрепленным к опорам через гирлянды изоляторов. Для защиты от молнии над проводами размещают грозозащитные тросы. Высокое напряжение электрического тока, передаваемого по проводам, требует значительного удаления проводов друг от друга и от земли, поэтому высота опор составляет 20 ... 40 м, а при переходе линии через препятствия может достигать 150 м и более.

Вытяжные башни служат для поддержания газоотводящих стволов дымовых и вентиляционных труб. Высота башни, определяемая экологическими требованиями, обычно составляет 80 ... 150 м, хотя имеются башни высотой 600 м.

Башни морских стационарных платформ для добычи нефти и газа устанавливают на континентальном шельфе морей и океанов. Прикрепленная с помощью свай к морскому дну башня поддерживает искусственный островок, на котором размещены буровая вышка, мастерские, вертолетная площадка, жилые помещения и пр. Это, как правило, уникальные сооружения, достигающие глубин 200 ... 300 м и более при ширине основания порядка 70 м. Решетчатую конструкцию такой башни выполняют из труб диаметром 2 ... 4 м при толщине стенок 60 ... 90 мм.

К башенным конструкциям относят также геодезические вышки, промышленные этажерки, надшахтные копры, буровые вышки и др.

7. Листовые конструкции представляют собой тонкостенные пластинки и оболочки различной формы.

Резервуары служат для хранения нефтепродуктов, воды, сжиженных газов, кислот, спиртов и других жидкостей. Применяют резервуары различной формы и размеров с объемом, достигающим 200 тыс. м³. Среди них вертикальные цилиндрические, горизонтальные цилиндрические и сферические резервуары, резервуары с понтоном, с плавающей крышей и многие другие.

Газгольдеры предназначены для хранения, смешивания и выравнивания состава газов. Их включают в газовую сеть между источниками получения газа и его потребителями в качестве своеобразных аккумуляторов. Применяют газгольдеры постоянного объема, в которых газ хранят при высоком давлении, и газгольдеры переменного объема с хранением газа при низком постоянном давлении. Переменность объема обеспечивают подвижными звеньями или шайбой, которая, подобно поршню в цилиндре, перемещается по стенке газгольдера. Вместимость газгольдеров переменного объема достигает 600 тыс. м³.

Бункера и силосы представляют емкости, предназначенные для хранения и перегрузки сыпучих материалов. Силосы отличаются от бункеров сравнительно большим отношением высоты к размерам в плане. Группы бункеров обычно объединяют в бункерные эстакады. Применяют бункера с плоскими стенками и гибкие (висячие).

К листовым конструкциям относят также трубопроводы большого диаметра, некоторые сооружения нефтепереработки, доменного и химического производств.

8. Другие виды конструкций. Это стальные конструкции мостовых, башенных, козловых кранов, кранов-перегружателей, отвальных мостов, крупных экскаваторов, строительных и дорожных машин, затворов и ворот шлюзов гидротехнических сооружений, радиотелескопов, антенн космической связи и др.

2.2 Достоинства и недостатки стальных конструкций

Основными достоинствами стальных конструкций по сравнению с конструкциями из других материалов являются надежность, легкость, непроницаемость, индустриальность, а также простота технического перевооружения, ремонта и реконструкции.

Надежность стальных конструкций обеспечивается близким соответствием характеристик стали нашим представлениям об идеальном упругом или упругопластическом изотропном материале, для которого строго сформулированы и обоснованы основные положения сопротивления материалов, теории упругости и строительной механики. Сталь имеет однородную мелкозернистую структуру с одинаковыми свойствами по всем направлениям, напряжения связаны с деформациями линейной зависимостью в большом диапазоне, а при некотором значении напряжений может быть реализована идеальная пластичность в виде площадки текучести. Все это соответствует гипотезам и допущениям, взятым за основу при разработке теоретических предпосылок расчета, поэтому расчет, построенный на таких предпосылках, в полной мере соответствует действительной работе стальных конструкций.

Легкость. Из всех изготовляемых в настоящее время несущих конструкций металлические являются самыми легкими. За показатель легкости принимают отношение плотности материала к его прочности. Наименьшее значение этот показатель имеет для алюминиевых сплавов и составляет для сплава Д16-Т 1,1-10^-4 м^-1. Приняв его за единицу, запишем сравнительные данные для других материалов: сталь - 1,5 ... 3,4, дерево - 4,9, бетон среднего класса

прочности - 16,8.

Сравнив две одинаковые конструкции, одна из которых выполнена из алюминиевого сплава, а другая - из железобетона, вы можете прийти к ошибочному выводу, что при прочих равных условиях железобетонная конструкция будет примерно в 16 раз тяжелее. На самом деле это не так и железобетонная конструкция, особенно при больших пролетах, может оказаться более тяжелой. Дело в том, что конструкция несет как бы две нагрузки: полезную, для которой она запроектирована, и неизбежный собственный вес. Например, несущая способность железобетонной плиты покрытия типа ПНС размером 3х6 м равна 4...4,5 кН/м², из них 1,3...1,5 кН/м² (т.е. 30%) приходится на собственный вес плиты. Стальная панель такого же размера, изготовленная из профилированного настила и швеллеров, при той же несущей способности будет иметь долю собственного веса 0,45...0,50 кг/м², что составляет около 10% от общей нагрузки.

Непроницаемость. Металлы обладают не только большой прочностью, но и высокой плотностью - непроницаемостью для газов и жидкостей. Плотность стали и ее соединений, осуществляемых с помощью сварки, является необходимым условием для изготовления резервуаров, газгольдеров, трубопроводов, различных сосудов и аппаратов.

Индустриальность. Стальные конструкции изготовляют на заводах, оснащенных специальным оборудованием, а монтаж производят с использованием высокопроизводительной техники. Все это исключает или до минимума сокращает тяжелый ручной труд.

Ремонтопригодность. Применительно к стальным конструкциям наиболее просто решаются вопросы усиления, технического перевооружения и реконструкции. С помощью сварки вы можете легко прикрепить к элементам существующего каркаса новое технологическое оборудование, при необходимости усилив эти элементы, что также делается достаточно просто.

Сохраняемостъ металлического фонда. Стальные конструкции в результате физического и морального износа изымаются из эксплуатации, переплавляются и снова используются в народном хозяйстве.

Недостатками стальных конструкций являются их подверженность коррозии и сравнительно малая огнестойкость. Сталь, не защищенная от контакта с влагой, в сочетании с агрессивными газами, солями, пылью подвергается коррозии. При высоких температурах (для стали - 600°С, для алюминиевых сплавов - 300°С) металлоконструкции теряют свою несущую способность.

При грамотном проектировании и соответствующей эксплуатации эти недостатки не представляют опасности для выполнения конструкцией своих функций, но приводят к повышению начальных и эксплуатационных затрат.

Повышения коррозионной стойкости стальных конструкций достигают включением в сталь специальных легирующих добавок, периодическим покрытием конструкций защитным слоем в виде лаков или красок, а также выбором рациональной конструктивной формы (без 'щелей и пазух, где могут скапливаться влага и пыль).

Повышение огнестойкости стальных конструкций зданий, опасных в пожарном отношении (жилые и общественные здания, склады с горючими или легковоспламеняющимися материалами) осуществляют путем устранения непосредственного контакта конструкций с открытым огнем. Для этого предусматривают подвесные потолки, огнестойкие облицовки, обмазки специальными составами. Используя специальные покрытия в виде обмазок, можно существенно увеличить предел огнестойкости.

2.3 Требования, предъявляемые к металлическим конструкциям

 

При проектировании металлических конструкций должны учитываться следующие основные требования.

Условия эксплуатации. Удовлетворение заданным при проектировании условиям эксплуатации является основным требованием для проектировщика. Оно в основном определяет систему, конструктивную форму сооружения и выбор материала для него.

Экономия металла. Требование экономии металла определяется большой его потребностью во всех отраслях промышленности (машиностроение, транспорт и т. д.) и относительно высокой стоимостью.

В строительных конструкциях металл следует применять лишь в тех случаях, когда замена его другими видами материалов (в первую очередь железобетоном) нерациональна.

Транспортабельность. В связи с изготовлением металлических конструкций, как правило, на заводах с последующей перевозкой на место строительства в проекте должна быть предусмотрена возможность перевозки их целиком пли по частям (отправочными элементами) с применением соответствующих транспортных средств.

Технологичность. Конструкции должны проектироваться с учетом требований технологии изготовления я монтажа с ориентацией на наиболее современные и производительные технологические приемы, обеспечивающие максимальное снижение трудоемкости.

Скоростной монтаж. Конструкция должна соответствовать возможностям сборки ее в наименьшие сроки с учетом имеющегося монтажного оборудования.

Долговечность конструкции определяется сроками ее физического и морального износа. Физический износ металлических конструкций связан главным образом с процессами коррозии. Моральный износ связан с изменением условий эксплуатации.

Эстетичность. Конструкции независимо от их назначения должны обладать гармоничными формами. Особенно существенно это требование для общественных зданий и сооружений.

Все эти требования удовлетворяются конструкторами на основе выработанных наукой и практикой принципов советской школы проектирования и основных направлении ее развития.

Основным принципом советской школы проектирования является достижение трех главных показателей: экономии стали, повышения производительности труда при изготовлении, снижения трудоемкости и сроков монтажа, которые и определяют стоимость конструкции. Несмотря на то что эти показатели часто при реализации вступают в противоречие (так, например, наиболее экономная по расходу стали конструкция часто бывает наиболее трудоемкой в изготовлении и монтаже), советский опыт развития металлических конструкций подтверждает возможность реализации этого принципа.

Экономия металла в металлических конструкциях достигается на основе реализации следующих основных направлений: применения в строительных конструкциях низколегированных и высокопрочных сталей, использования наиболее экономичных прокатных и гнутых профилей, изыскания и внедрения в строительство современных эффективных конструктивных форм и систем (пространственных, предварительно напряженных, висячих, трубчатых и т.п.), совершенствования методов расчета и изыскания оптимальных конструктивных решений с использованием электронно-вычислительной техники.

Эффективно и комплексно производственные требования удовлетворяются на основе типизации конструктивных элементов и целых сооружений.

Типизация металлических конструкций в России получила весьма широкое развитие. Разработаны типовые решения часто повторяющихся конструктивных элементов-колонн, ферм подкрановых балок, оконных и фонарных переплетов. В этих типовых решениях унифицированы размеры элементов и сопряжении. Для некоторых элементов разработаны стандарты.

Разработаны типовые решения таких сооружений, как радиомачты, башни, опоры линий электропередачи, резервуары, газгольдеры, пролетные строения мостов, некоторые виды промышленных зданий, сооружений и т. п.

Типовые решения разработаны на основе применения оптимальных с точки зрения затраты материала, размеров элементов, оптимальной технологии их изготовления ц возможностей транспортирования.

Типизация и проводимая на ее основе унификация и стандартизация обеспечивают большую повторяемость, серийность изготовления конструктивных элементов и их деталей на заводах и, следовательно, способствуют повышению производительности труда, сокращению сроков изготовления на основе эффективного использования более совершенного оборудования и специальных технологических приспособлений (кондукторов, копиров, кантователей и т.п.). Типизация, унификация и стандартизация создают благоприятные условия для разработки и внедрения особенно эффективного поточного метода изготовления и монтажа металлических конструкций.

Типовые проекты обеспечивают экономию металла, упорядочивают проектирование, повышают его качество и сокращают сроки строительства.

Ведущим принципом скоростного монтажа является сборка конструкций в крупные блоки на земле с последующим подъемом их в проектное положение с минимальным количеством монтажных работ наверху. Типизация создает предпосылки для сокращения сроков монтажа, снижения его трудоемкости, так как повторяющиеся виды конструкций и их сопряжении позволяют лучше использовать монтажное оборудование и совершенствовать процесс монтажа.

Конструкции из металла

 

3.1       Балки и балочные конструкции

Одним из наиболее распространенных элементов стальных конструкций является балка или элемент, работающий на изгиб.

Область применения балок в строительстве чрезвычайно широка: от небольших элементов рабочих площадок, междуэтажных перекрытий производственных или гражданских зданий до большепролетных балок покрытий, мостов, тяжело нагруженных подкрановых балок и так называемых "хребтовых" балок для подвески котлов в современных тепловых электростанциях. Пролеты мостовых балок достигают 150...200 м, а нагрузка на одну хребтовую балку котельного отделения ГРЭС при пролете до 45 м составляет ~ 60 -10³ кН.

 

3.1.1       Классификация балок

 

По статической схеме различают однопролетные (разрезные), многопролетные (неразрезные) и консольные балки. Разрезные балки проще неразрезных в изготовлении и монтаже, нечувствительны к различным осадкам опор, но уступают последним по расходу металла на 10...12%. Неразрезные балки разумно применять при надежных основаниях, когда нет опасности перегрузки балок вследствие резкой разницы в осадке опор. Консольные балки могут быть как разрезными, так и многопролетными. Консоли разгружают пролетные сечения балок и тем самым повышают экономические показате ли последних.

По типу сечения балки могут быть прокатными либо составными: сварными, клепаными или болтовыми. В строительстве наиболее часто применяют балки двутаврового сечения. Они удобны в компоновке, технологичны и экономичны по расходу металла.

Наибольший экономический эффект (при прочих равных условиях) может быть получен в тонкостенных балках. Хорошим критерием относительной легкости изгибаемого элемента служит безразмерное соотношение з = ³v W² / A³ , где W - момент сопротивления, А - площадь сечения.

Для прямоугольного сечения с шириной b и высотой h, если принять для определенности отношение h/b равным 2...6, этот показатель составляет 0,38...0,55, а для отечественных прокатных двутавров - 1,25...1,45, т.е. в принятых условиях двутавр в 3...4 раза выгоднее простого прямоугольного сечения. Кроме двутавра применяют и другие формы сечений. Так, при воздействии на балку значительных крутящих моментов предпочтительнее применение замкнутых, развитых в боковой плоскости сечений, примеры которых показаны.

Экономическая эффективность сечений, таким образом, тесно связана с их тонкостенностью. Предельно возможная тонкостенность прокатных балок определяется не только требованиями местной устойчивости стенок, но и возможностями заводской технологии прокатки профилей. Местная устойчивость стенок составных сечений может быть повышена конструктивными мерами (постановкой ребер жесткости, гофрированием стенок и т.п.).

 

3.1.2       Прокатные балки

 

Прокатные балки применяют для перекрытия небольших пространств конструктивными элементами ограниченной несущей способности, что связано с имеющейся номенклатурой выпускаемых прокатных профилей. Их используют в балочных клетках; для перекрытия индивидуальных подвалов, гаражей, складских помещений; в качестве прогонов покрытий производственных зданий; в конструкциях эстакад, виадуков, мостов и многих других инженерных сооружениях.

В сравнении с составными прокатные балки более металлоемки за счет увеличенной толщины стенки, но менее трудоемки в изготовлении и более надежны в эксплуатации. За исключением опорных зон и зон приложения значительных сосредоточенных сил, стенки прокатных балок не требуется укреплять ребрами жесткости. Отсутствие сварных швов в областях контакта полок со стенкой существенно уменьшает концентрацию напряжений и снижает уровень начальной дефектности.

 

3.1.3       Составные балки

 

В тех случаях, когда требуются конструкции, жесткость и несущая способность которых превышает возможности прокатных профилей, используют составные балки. Они могут быть сварными и клепаными, но последние применяют исключительно редко. Наибольшее применение получили балки двутаврового симметричного, реже несимметричного сечений. Такие балки состоят из трех элементов - верхнего и нижнего поясов, объединенных тонкой стенкой. Перспективными являются сечения в виде двутврв, в качестве полок которого используют прокатные тавры и холодногнутые профили.

 

3.1.4       Дистальные балки

 

Снижение металлоемкости может быть достигнуто за счет использования в одной конструкции двух различных марок сталей. Балки, выполненные из двух марок сталей, называют бистальными. В них целесообразно наиболее напряженные участки поясов выполнять из стали повышенной прочности с R_y = R_y1 (низколегированные стали), а стенку и малонапряженные участки поясов - из малоуглеродистой стали с R_y = R_y2.

В расчетном сечении такой балки при достижении в фибровых волокнах поясов у = R_y1 в примыкающей к поясам зоне стенки напряжения достигнут предела текучести у_w(y>|a|) = R_y1. Центральная часть стенки и пояса находятся в упругой стадии, периферийные зоны стенки - в пластической (условия ограниченной пластичности).

Авторы норм рекомендуют при расчетах прочности таких балок руководствоваться одним из двух критериев.

- Предельных пластических деформаций: пластические деформации допускаются не только в стенке, но и в поясах; вводится ограничение на величину интенсивности пластических деформаций в стенке е_ip,w ? >е_ip,lim.

- Предельных напряжений в поясах балки: пластические деформации допускаются лишь в стенке; работа поясов ограничена упругой стадией у_ѓ = > R_y1.

В зависимости от нормы предельной интенсивности пластических деформаций и расчетного критерия, бистальные балки классифицируют по четырем группам.

1. Подкрановые балки под краны с режимом работы 1К-5К (ГОСТ 25546-82), для которых расчеты на прочность выполняют по критерию предельных напряжении в поясе при расчетном сопротивлении стали поясов R_ѓ = R_u / г_u < R_y, здесь г_u = 1,3.

2. Балки, воспринимающие подвижные и вибрационные нагрузки (балки рабочих площадок, бункерных и разгрузочных эстакад. транспортерных галерей и др.), - е_ip,lim = 0.1 %.

3. Балки, работающие на статические нагрузки (балки перекрытий и покрытий; ригели рам, фахверка и другие изгибаемые, растянуто-изгибаемые и сжато-изгибаемые балочные элементы), - е_ip,lim = 0,2 %.

4. Балки группы 3, но не подверженные локальным воздействиям, не имеющие продольных ребер жесткости, обладающие повышенной общей и местной устойчивостью, - е_ip,lim = 0,4%.

В группы 2...4 объединены балки, для которых расчеты на прочность выполняют по критерию ограниченных пластических деформаций.

 

3.1.5       Балки замкнутого сечения

 

Балки замкнутого сечения обладают рядом преимуществ по сравнению с открытыми. К ним относятся:

- более высокая несущая способность конструкций или их элементов при работе на изгиб в двух плоскостях и на кручение. Материал в замкнутых сечениях располагается в основном в периферийных зонах по отношению к центру тяжести, это обусловливает увеличение моментов инерции и сопротивления относительно оси у (из плоскости элемента) и момента инерции на кручение;

- ввиду существенного увеличения (в десятки раз) момента инерции на кручение в элементах с замкнутыми сечениями, как правило, исключается изгибно-крутильная форма потери устойчивости;

- элементы с замкнутыми сечениями более устойчивы при монтаже, менее подвержены механическим повреждениям во время транспортировки и монтажа.

Несмотря на названные достоинства, конструктивные элементы с замкнутыми сечениями не нашли в настоящее время широкого применения. И объясняется это прежде всего низкой технологичностью и, как следствие, большей трудоемкостью изготовления.

 

Конструктивные решения

 

Замкнутые, в частности коробчатые, сечения применяют при необходимости увеличения жесткости балок в поперечном направлении, при отсутствии поперечных связей, изгибе в двух плоскостях наличии крутящих моментов, при ограниченной строительной высоте и больших поперечных силах. Подобным силовым воздействиям при названных конструктивных ограничениях подвергаются балочные конструкции мостов, силовых элементов промышленных сооружений, кранов и др. Возможные формы сечения балок представлены на.

Наличие двух стенок делает особенно актуальной задачу уменьшения их толщины при обеспечении местной устойчивости. Конструктивно это достигается либо искривлением стенки, либо постановкой различного типа связей между стенками в форме диафрагм, стяжных болтов и др.

Диафрагмы имеют форму пластинки, а при сильно развитом сечении - форму рамки с прямоугольным или овальным вырезом. В углах диафрагмы имеют скосы такие же, как и в ребрах жесткости балок открытого профиля. Для более равномерного распределения нагрузки между элементами сечения и повышения пространственной жесткости возможно использовать раскосную систему расположения диафрагм с отклонением диафрагм на 30...600 от вертикали или горизонтали. Однако следует иметь в виду, что трудоемкость изготовления диафрагм с наклоном значительно выше, чем вертикальных. Взамен диафрагм для повышения местной устойчивости стенки можно использовать связи между стенками в виде вкладышей со стяжными болтами. В этом случае за счет дополнительных связей между стенками создается пространственная система, обе стенки которой работают совместно, поэтому при расчете из плоскости балки стенку следует рассматривать как составную конструкцию.

С целью экономии стали, так же как и в балках открытого профиля, в балках коробчатого сечения при больших пролетах следует предусматривать изменение сечения по длине балки.

 

3.1.6       Балки с гибкой стенкой

 

Балки с гибкой (очень тонкой) стенкой появились впервые в конструкциях каркасов летательных аппаратов, где для легкости стенки выполняли зачастую не из металла, а из прочной ткани (перкаль, брезент). Плоская стенка в такой балке теряет устойчивость в начальной стадии нагружения, приобретая вторую устойчивую форму - в виде наклонно гофрированной (у опор, где преобладает сдвиг) либо вспорушенной ( в зонах с преобладающими напряжениями сжатия) поверхности. После снятия нагрузки эти деформации стенок, называемые часто "хлопунами", исчезают. В строительстве стали применять такие балки в 70-е годы текущего века. Они являются дальнейшим воплощением идеи о тесной связи показателей экономической эффективности с понятием тонкостенности. Уменьшение относительной толщины стенки л_w = h_w / t_w в 2...3 раза приводит к снижению расхода металла на стенку на 25...35% и к концентрации металла в поясах, что выгодно по условиям работы на изгиб.

Применение балок с очень тонкими стенками уместно при стабильном направлении действия статических временных нагрузок, поскольку работа таких балок при переменных по направлению подвижных и динамических нагрузках еще недостаточно изучена.

Особенности работы конструкции балок. На первой стадии работы балки ее гибкая стенка остается плоской, как и в обычной балке. Но по протяженности эта стадия работы коротка и заканчивается потерей устойчивости стенки, т.е. переходом в закритическую стадию работы с появлением "хлопунов".

В закритической стадии работы уже не соблюдается линейная зависимость между деформациями стенки и нагрузкой. Развиваются зоны выпучивания стенки с образованием растянутых складок, натяжение которых вызывает местный изгиб поясов балки, а также сжатие поперечных ребер жесткости и изгиб опорных ребер в плоскости стенок. Эта стадия завершается достижением напряжениями предела текучести у_y либо в отдельных точках стенки, либо в поясах (или одновременно).

В третьей стадии развиваются пластические деформации в стенке и в поясах. Нарастает прогиб балки; интенсивность роста прогиба к концу этой стадии резко повышается и в отсеках балки образуется пластический механизм - балка приходит в предельное состояние с появлением чрезмерных остаточных деформаций. При дальнейшем, даже незначительном, возрастании нагрузки балка теряет несущую способность либо вследствие потери местной устойчивости полки сжато-изогнутого пояса, либо из-за потери устойчивости пояса в плоскости стенки, как стержня, от действия сжимающей силы и изгибающего момента. Не исключена и общая потеря устойчивости плоской формы изгиба балки, если последняя не раскреплена надлежащим образом от боковых деформаций. Отметим также, что описанные формы потери устойчивости пояса балки могут произойти и не в конце третьей стадии, а даже и на предыдущих стадиях, если размеры элементов пояса выбраны неудачно.

Учет особенностей работы балок с гибкими стенками привел к необходимости разработки адекватных рекомендаций по их конструктивным решениям. Возможно применение балок: с поперечными ребрами, приваренными к стенке - двусторонними и односторонними, или не связанными с нею; без поперечных ребер. Безреберные балки требуют строго центрированного приложения нагрузки в плоскости стенки, ибо пояса их практически не закреплены от закручивания.

Более часто применяют балки с ребрами жесткости, имеющими назначение, как и в обычных балках, для восприятия местных нагрузок от второстепенных балок и для ограничения длины отсека. В работе ребер, подкрепляющих гибкие стенки, есть и свои особенности, определяемые работой стенок в закритической стадии.

Пояса в балках с гибкими стенками работают не только на сжатие, но и на изгиб от натяжения стенки, поэтому целесообразно применять сечения поясов с повышенной жесткостью на изгиб и кручение. По технологичности более предпочтительны сечения с поясами из полосовой стали и широкополочных тавров; при значительных нагрузках возможно применение поясов из прокатных или гнутых швеллеров либо из широкополочных двутавров. Сечения балок с повышенным объемом сварки уступают остальным по трудоемкости изготовления.

По статической схеме балки с гибкой стенкой могут быть разрезными и неразрезными, а по очертанию - постоянной или переменной высоты (двускатные либо односкатные). Применяют такие балки в качестве прогонов, стропильных и подстропильных конструкций пролетом 12...36 м с соотношением постоянных и временных нагрузок 1/1,5...1/2, балок жесткости комбинированных балочно-вантовых систем, балок-стенок бункеров, стенок крупногабаритных вентиляционных коробов, газоводов и т. п.

 

3.1.7      Балки с гофрированной стенкой

 

Одним из путей снижения металлоемкости балок является гофрирование их стенок. В обычных балках толщина стенок, как правило, определяется не условием прочности, а требованиями местной устойчивости. Постанова поперечных ребер смягчает ситуацию, позволяя уменьшить толщину стенок и одновременно повышая крутильную жесткость балок, так как ребра играют роль диафрагм и обеспечивают неизменяемость контура поперечного сечения. Еще в середине 3-го десятилетия XX в. появилась идея гофрирования стенок балок, которое еще более эффективно обеспечит желаемые результаты. Гибкость таких стенок можно повысить до 300...600, к тому же чем тоньше стенка, тем легче выполнить ее гофрирование.

Толщину гофрированных стенок принимают в пределах 2...8 мм, что обеспечивает им все преимущества, определяемые тонкостенностью. В изготовлении стенок появляется дополнительная технологическая операция - гофрирование - и несколько осложняется сварка поясных швов, но уменьшение толщины стенки и исключение значительного числа ребер жесткости приводят в конечном счете к снижению трудозатрат на изготовление балок на 15...25%. По трудоемкости изготовления и расходу металла балки с гофрированной стенкой выигрывают и у балок с гибкой стенкой благодаря резкому снижению числа ребер жесткости, повышенной крутильной жесткости балок и высокой местной устойчивости стенки.

При выборе конструктивного решения балки с гофрированной стенкой приходится учитывать не только особенности напряженно-деформированного состояния балки под нагрузкой, но и требования технологичности. Наиболее просты и технологичны в изготовлении стенки с треугольными гофрами, но стенки с волнистыми гофрами более устойчивы. Практикуется и применение полос из готового профнастила .

Изготовление балок с гофрированной стенкой целесообразно вести на заводах металлоконструкций, организуя там специальные участки с прессами или иными установками для гофрирования и стендами для сварки поясных швов. Сварочные автоматы должны быть приспособлены для перемещения по ломаным и волнистым линиям примыкания гофрированной стенки к поясу. Плоский лист подается между двумя валками, вращающимися навстречу друг другу. На поверхности валков предусмотрены устройства для закрепления съемных пластин, осуществляющих перегибы плоского листа при повороте валков. Использование съемных пластин различных размеров дает возможность варьировать параметры гофров. Для создания криволинейных гофров требуются более сложные съемные элементы. Волнистые гофры можно получить и прессованием пластин между двумя матрицами, но для варьирования параметров гофров в этом случае требуется довольно большой набор матриц.

Особенности работы и конструкции балок. Уже первые испытания балок с гофрированными стенками выявили особенности напряженного состояния стенок и поясов: нормальные напряжения развиваются в стенках лишь у поясов и быстро падают практически до нуля, поскольку жесткость тонкой стенки поперек гофров очень мала; касательные же напряжения распределяются по высоте стенки почти равномерно. Жестко связанные с поясом гофры передают на него усилия, вызывая в поясе переменный по величине и направлению изгиб в его плоскости.

Балки с гофрированной стенкой дольше работают в упругой стадии, чем балки с гибкой стенкой той же толщины, вплоть до потери устойчивости стенки как ортотропной пластинки. Пояса балок с гофрированной стенкой также работают в лучших условиях, поскольку они не испытывают изгиба в плоскости стенки. Деформативность балок с гофрированной стенкой на 15...20 % ниже, чем у балок с гибкой стенкой с теми же параметрами.

Предельное состояние балки с гофрированной стенкой, как правило, наступает с потерей местной устойчивости стенки под действием местных сосредоточенных сил, если не установлены ребра жесткости под ними. В стенках с треугольными гофрами, работающими на сдвиг, сначала теряет устойчивость плоская полоска гофра, затем потеря устойчивости распространяется на несколько гофров, что можно считать потерей устойчивости стенки как ортотропной пластинки. После этого пояс теряет устойчивость в плоскости стенки так же. как и в балке с гибкой стенкой. В балках с достаточно жесткими гофрированными стенками предельное состояние может наступить из-за развития чрезмерных остаточных деформаций (вторая группа предельных состояний). Свойства гофра определяются толщиной стенки и геометрическими параметрами гофрирования - длиной волны а и высотой волны ѓ. В расчетной практике чаще используют относительные параметры a/h_w, ѓ/a и ѓ/t_w. Местная устойчивость гофрированных стенок балок может быть повышена, если вместо вертикального гофрирования применить наклонное с нисходящими гофрами. Оптимальный угол наклона гофров к верхнему поясу равен 45...50°. Однако изготовление таких стенок усложняется и, как следствие, балки с наклонно гофрированными стенками широкого применения не нашли. Но надо иметь в виду, что гофры могут быть не только открытыми (когда сечение гофра выходит на край листа), но и глухими, т.е. выштампованными в стенке, не выходящими на край листа. Не исключена возможность гофрирования тонких стенок в готовом изделии, а следовательно, возможно применение глухих наклонных гофров.

Балки с гофрированными стенками проектируют обычно двутаврового сечения с поясами из листов, причем здесь не требуется повышенная жесткость поясов на изгиб и кручение (в отличие от балок с гибкой стенкой); сечение поясов может быть достаточно развитым по ширине и переменным по длине в соответствии с очертанием эпюры изгибающих моментов, что обеспечивает дополнительную экономию металла.

Область применения балок с гофрированной стенкой шире, чем балок с гибкой стенкой: они применимы в подкрановых конструкциях и во всех других случаях, когда требуется повышенная жесткость балок на кручение.

 

3.1.8       Балки с перфорированной стенкой

 

Стремление повысить эффективность использования металла в работе изгибаемых элементов привела инженеров еще в первых десятилетиях XX в. к оригинальной идее, позволяющей расширить диапазон использования проката. Стенка прокатного двутавра (швеллера) разрезается по зигзагообразной ломаной линии с регулярным шагом с помощью газовой резки или на мощных прессах, и затем обе половины разрезанной балки соединяются сваркой в совмещенных между собой выступах стенки. Конечный результат приводит к увеличению высоты балки и позволяет перераспределить материал сечения, концентрируя его ближе к периферийным волокнам (полкам) и существенно повышая такие геометрические характеристики сечения, как момент инерции и момент сопротивления. Образуется своеобразная конструктивная форма - балка с окнами в стенке.

Изменение высоты исходного сечения в полтора раза повышает примерно во столько же его момент сопротивления и почти вдвое -момент инерции. Малоиспользуемая часть сечения стенки в центральной зоне как бы изымается ( 35...40 % материала стенки), что для большинства балок не представляет какой-либо опасности. Расход металла в таких балках на 20...30 % меньше, чем в обычных прокатных балках, при одновременном снижении стоимости на 10...18%. Дополнительные затраты труда на разрезку и сварку исходного проката невелики: в сравнении со сварными составными двутаврами по трудоемкости изготовления перфорированные балки на 25...35 % эффективнее за счет сокращения объема сварки и значительно меньшей трудоемкости операций обработки.

Особенности работы и конструкции балок. Отверстия в стенке меняют картину напряженного состояния в сечениях балки. Если распределение нормальных напряжений в поясах балки по середине отверстия близко к линейному, то в угловых зонах у отверстий эпюры нормальных напряжений криволинейны, что вызвано концентрацией напряжений. Некоторая криволинейность эпюры нормальных напряжений у_x наблюдается и в зоне перемычки стенки (простенка). В стыковом сечении (4-4) простенка появляются нормальные напряжения у_y. Все это свидетельствует о концентрации напряжений около отверстий. В большинстве случаев резервы пластичности материала достаточны для того, чтобы сгладить влияние концентраторов напряжений, и на несущую способность балки последние не оказывают заметного влияния. Однако следует иметь в виду, что при циклических или ударных воздействиях, особенно в условиях низких температур, когда развитие пластических деформаций сковано, в углах отверстий могут появиться трещины. В работе поясных тавров в пределах отверстия имеются свои особенности - они находятся под действием поперечных сил, создающих дополнительный изгиб. Предельное состояние пояса характеризуется значительным развитием пластических деформаций, пронизывающих у угла отверстия практически все сечение поясного тавра. Простенок балки работает главным образом на сдвиг, и его несущая способность, как правило, определяется устойчивостью. В предельном состоянии может потерять устойчивость и стенка одного из поясных тавров, поскольку она оказывается сжатой или сжато-изогнутой.

Конструктивные решения балок с перфорированной стенкой отличаются большим разнообразием, определяемым вариабельностью схем разрезки стенки. 

Наметив осевую линию разрезки наклонно к полкам после разрезки и разворота одной из половин балки относительно ее центральной вертикальной оси, получают в результате соединения обеих половин балку с наклонным поясом. Таким путем возможно изготовить балки одно - и двускатные, с уклоном как в верхнем, так и в нижнем поясе. Для упрощения конструкции иногда в качестве нижнего пояса используется тавр постоянного по длине сечения. Стремление повысить сечение при умеренном ослаблении поясных тавров и простенков привело к использованию пластинчатых вставок между гребнями соединяемых частей. Это решение может также оказаться высокоэффективным при значительных пролетах и относительно небольшой нагрузке, особенно в тех случаях, когда требуется повышенная изгибная жесткость по условию предельного прогиба. Отверстия, снижающие концентрацию напряжений, удается получить при криволинейных наклонных резах. Разрезку выполняют в этом случае с небольшими отходами металла. Известно также много других вариантов разрезки стенок, имеющих те или иные частные преимущества.

Наиболее часто применяют перфорированные балки с регулярной разрезкой и одинаковой высотой поясных тавров (балки симметричного сечения). Для таких балок очень удобно использовать типовую поточную линию, рассчитанную на одновременную синхронную автоматическую разрезку по копиру двух исходных двутавров. Двутавры закрепляют на специальном многооперационном манипуляторе, позволяющем после разрезки с помощью двухрезаковой машины соединить одинаковые части расчлененных балок между собой, сохраняя фиксацию формы во время сварки и после нее - до остывания готового изделия. Это дает возможность избежать коробления от воздействия начальных и сварочных напряжений и деформаций. При этом концы балок получаются разными: с одной стороны на конце балки создается простенок, а с другой стороны стенка оказывается открытой. Открытую часть заполняют вставкой из листовой стали. Этот же прием (заполнение отверстия листовой вставкой) применяют иногда и в местах опирания значительных сосредоточенных грузов, когда они расположены над отверстиями. Для усиления стенки под большими сосредоточенными грузами и у опор балки ставят поперечные либо торцевые опорные ребра.