Какие бывают металлоконструкции |
Какие металлические конструкции применяются в строительстве?
Металлические конструкции можно классифицировать по размеру, способу изготовления, конфигурации и принципу действия. В зависимости от способа изготовления металлоконструкции могут быть литыми, коваными, точеными, клепаными, штампованными, сварными и комбинированными (клеесварными, штампосварными и т. д.).
Наиболее распространены следующие строительные металлоконструкции:
- арматурные сетки и каркасы;
- балки, колонны;
- панели, витражи, оконные переплеты, ворота и другие ограждающие конструкции;
- обслуживающие конструкции (лестницы, ограждения, площадки), а также резервуары различного типа, диафрагмы и мембраны, опорные конструкции (мачты ЛЭП).
По каким внешним признакам различаются строительные металлоконструкции?
К решетчатым конструкциям относят фермы, связи по поясам ферм, вертикальные связи и т.п. К сплошным конструкциям — колонны и балки Н-образного сечения и т.п.
Каковы достоинства металлических конструкций?
Металлические конструкции обладают рядом достоинств:
- меньшей массой (если сравнить с железобетонными изделиями);
- простотой и серийностью изготовления;
- легкостью монтажа и демонтажа;
- удобством и быстротой возведения;
- возможностью осуществления монтажа крупными блоками;
- транспортабельностью;
- прочностью и долговечностью;
- надежностью в эксплуатации.
Вместе с тем, подверженность металлоконструкций (особенно стальных) коррозии, вызывает необходимость их защиты от внешних воздействий в виде оцинковки, нанесения других защитных эмалевых или полимерных покрытий (окраски).
Какая сталь применяется для изготовления арматурных каркасов?
Круглая, горячекатаная и холодносплющенная сталь периодического профиля. Арматурную сталь и сетки следует предохранять от загрязнений и атмосферных воздействий.
Что означает термин «арматурная сталь периодического профиля»?
Это металлические стержни с равномерно расположенными на их поверхности под углом к продольной оси стержня поперечными выступами (рифлением) для улучшения сцепления с бетоном.
Каковы требования к армированию бетонных конструкций?
От правильной укладки арматурных стержней зависит несущая способность железобетона. В консольных конструкциях, защемленных с одной стороны, арматуру укладывают в верхней части бетонной массы, в конструкциях, защемленных с обеих сторон, — в нижних слоях. В наиболее ответственных конструкциях сталь распределяют равномерно по всей массе бетона, связывая (сваривая) в каркас. Но в любом случае арматура должна находиться в толще бетона, приближаясь к краям на расстояние не менее 5 см. При правильном соотношении вяжущих, заполнителей и арматуры получается мощная конструкция, способная выдержать очень большие нагрузки.
Можно ли изготовить арматурный каркас непосредственно на стройплощадке?
Как правило, эти конструкции производятся на заводах, технологическая оснащенность которых позволяет применять наиболее эффективные способы сварки. При сварке арматурного каркаса на строительном объекте эту работу следует поручать специалистам, имеющим спецподготовку и допуск к данному виду работ. Ручная вязка арматуры может применяться лишь в исключительных случаях при выполнении мелких работ. ак выполняется крепление штучной арматуры в местах пересечения?
Необходимо соблюдать следующие требования:
- стержни диаметром до 25 мм скрепляются точечной сваркой, вязальной проволокой, пластмассовыми соединительными элементами;
- стержни диаметром более 25 мм соединяют только дуговой сваркой, если проектом не предусмотрены другие скрепления;
- перевязкой или сваркой должно быть соединено не менее 50% пересечений, при этом пересечения в углах обязательно скрепляются;
- перелом осей стержней арматуры классов А-I, А-II, А-III диаметром до 40 мм в сварных стыковых соединениях осуществляются с накладками, выполненными дуговой сваркой протяженными швами.
Где чаще всего применяются стальные конструкции?
Стальные конструкции легче железобетона, но тяжелее алюминиевых изделий. Благодаря высоким механическим характеристикам и однородности структуры сталь применяют там, где конструкции подвергаются высоким напряжениям.
Что является материалом для изготовления стальных строительных конструкций?
Мартеновские углеродистые горячекатаные стали и низколегированные стали. При подсчете собственной массы стальных конструкций учитывается объемный вес (в кг/м3):
- для сталей всех марок 7850
- для чугуна 7200
Как производится соединение стальных конструкций?
В строительной практике применяют три вида соединений: болтовое, заклепочное и сварочное.
Как рассчитываются болтовые и заклепочные соединения?
Такие соединения воспринимают нагрузки на срез, смятие и растяжение.При расчете на центрально-приложенную в отношении соединения силу принимается равномерное распределение ее между всеми заклепками или болтами. В соединениях внахлестку в расчет включают полное число заклепок или болтов, а в соединении с накладками — число заклепок или болтов, расположенных по одну сторону от оси стыка.Проверка прочности соединения, работающего на силу, приложенную вне центра соединения, производится на усилие, воспринимаемое наиболее напряженным болтом (заклепкой). Соединения, работающие одновременно на срез и растяжение, проверяют отдельно на каждое из этих воздействий. В креплениях одного элемента к другому через прокладки или иные промежуточные элементы, а также в соединениях с односторонними накладками, число заклепок или болтов принимается на 10% больше против необходимого по расчету. При креплении выступающих полок уголков или швеллеров с помощью коротышей число заклепок или болтов, прикрепляющих одну из полок коротыша, должно быть увеличено против расчета на 50%.
Есть ли смысл применять стальные несущие конструкции в одноэтажных зданиях?
Облегченные стальные строительные конструкции с успехом используют для строительства зданий и сооружений с легкими кровлями и стенами с применением легких утеплителей. При этом расход стройматериалов существенно сокращается.
Каковы достоинства алюминиевых конструкций?
Конструкции из алюминиевых сплавов обладают общими для металлических конструкций достоинствами. В то же время отношение расчетного сопротивления к плотности при одинаковой прочности сопоставляемых материалов у алюминиевого сплава примерно в 3 раза выше, чем стали. Поскольку алюминий весит намного меньше, чем сталь, то можно легко добиться снижения собственной массы конструкции, что в свою очередь позволит:
- уменьшить усилия в элементах конструкций, особенно большепролетных, а также подвергающихся сейсмическим воздействиям;
- снизить транспортные расходы, объемы и сроки монтажа;
- сократить расход энергии при эксплуатации подвижных конструкций.
Благодаря значительной антикоррозийной стойкости алюминия, которая к тому же может быть повышена оксидированием, эмалированием и другими способами, снижаются эксплуатационные расходы и возрастает долговечность конструкций, что особенно важно при наличии агрессивной среды.
В чем еще проявляются отличительные особенности алюминиевых конструкций по сравнению со стальными?
Прежде всего, возможность обеспечения особых эксплутационных требований благодаря таким свойствам материала, как высокая отражательная способность поверхности, отсутствие токсичности, а также неспособность к намагничиванию и образованию искр при ударах. Некоторые алюминиевые сплавы, используемые в металлоконструкциях, по сравнению со сталью имеют более высокую атмосферную стойкость (при температуре ниже 0°С их хрупкость практически не снижается).
Каковы недостатки алюминиевых конструкций?
Они имеют ряд недостатков. Стоимость алюминиевых конструкций в несколько раз выше стальных. Модуль упругости алюминиевых сплавов приблизительно в три раза меньше, чем стали. Поэтому угроза прогибов алюминиевых балок и ферм при прочих равных условиях в три раза больше, чем стальных. Поскольку коэффициент линейного расширения почти в два раза больше, то необходимо частое устройство температурных швов. В местах контакта алюминиевых сплавов с другими материалами легко возникает электрохимическая коррозия, поэтому поверхности, соприкасающиеся со сталью или бетоном, нужно изолировать окраской или с помощью прокладок из пластмассы или других материалов.
Где применяются конструкции из алюминиевых сплавов?
Для кровельных панелей зданий, где особенно важно уменьшение собственной массы кровли, а также при устройстве витражей, оконных переплетов и других архитектурных деталей, где наиболее полно используется возможность легкого получения сложных профилей и высокая стойкость алюминия против коррозии.
Каков принцип работы панельно-блочной конструкции?
В конструкциях покрытий и ограждений промышленных зданий применяются панели, состоящие из каркаса и тонких металлических обшивок с двух или одной стороны. В верхней обшивке создается предварительное напряжение — растяжение, что позволяет ей воспринимать сжимающие напряжения при эксплуатационной нагрузке. Обшивка в этом случае совмещает функции ограждающей и несущей конструкции. Между верхней и нижней обшивками размещается утеплитель.
Что нужно учитывать при сборке панельной конструкции?
Предварительно напрягать конструкцию можно присоединением обшивки к изогнутым элементам каркаса с последующим их выпрямлением и соединением по нейтральной оси. Соединять элементы каркаса между собой и прикреплять к ним обшивки можно точечной сваркой, холодной клепкой или самонарезающимися болтами со специальными шайбами, обеспечивающими плотность соединения. Верхние и нижние обшивки по конструктивным соображениям, как правило, принимают одинаковой толщины. Напряжение в конструкции панелей со сплошным каркасом складывается из трех компонентов: предварительного напряжения, основных напряжений от расчетной вертикальной нагрузки и напряжений от распора верхней обшивки, работающей под нагрузкой как мембрана.
Что представляют собой панельно-блочные металлоконструкции?
Такая конструкция, как правило, состоит из двух панелей, соединенных в пространственный блок вертикальной решеткой и поперечными связями. Панели работают как верхние и нижние пояса блока. Нижние панели нужны при наличии подвесного потолка. При небольших пролетах (до 30 м) применение панелей по нижним поясам блоков нерационально. Тогда вместо вертикальной решетки применяется продольная ферма.
В каком виде поступают панельно-блочные металлоконструкции к месту монтажа?
Они поступают на монтаж с полной заводской готовностью. Ширина блоков ограничивается провозными габаритами панелей (до 3,8 м). Возможность заводского изготовления панелей на автоматизированных поточных линиях — основное преимущество такой строительной конструкции.
Как осуществляется монтаж металлоконструкций?
На монтаже из панелей и получаемых россыпью элементов решетки ферм и связей собираются пространственные блок-панели, шириной и длиной равные размерам панели. Затем из блок-панелей собирается полный монтажный блок на весь пролет.
Где применяются панельные и блочно-балочные конструкции?
При строительстве промышленных зданий широко применяются конструкции покрытий зданий в виде пространственного каркаса с обшивками из тонких предварительно натянутых листов. Это панельные и блочно-балочные конструкции. Они могут быть обшиты с одной стороны каркаса (обычно с наружной), но иногда выполняется обшивка с двух сторон.
Каковы преимущества панельных и блочно-балочных конструкций?
Преимуществами таких конструкций являются: совмещение несущих и ограждающих функций, возможность совместной работы на сжимающие усилия тонколистовой обшивки и каркаса, высокая заводская готовность и крупноблочный монтаж, а также сокращение сроков строительства. Конструкции получаются экономичными по расходу металла и технологичными в изготовлении и монтаже.
Чем обусловливается прочность панельных и блочно-балочных конструкции?
Повышенная жесткость панельных и блочно-балочных конструкций обусловливается совместной работой растянутой обшивки со сжатыми продольными элементами каркаса. По статической схеме — это однопролетные балочные системы с предварительно напряженными элементами. В блочных конструкциях предварительно напряженная обшивка совмещает функции кровельного настила и участие в работе поясов ферм при полной загрузке блока. В кровельной конструкции обшивка работает как мембрана, прикрепленная к продольным (пояса ферм) и поперечным элементам каркаса.
Что представляют собой блочные конструкции?
При строительстве промышленных зданий применяются и блочные конструкции. Они представляют собой пространственный каркас, на который обшивка или две обшивки (сверху и снизу) натягиваются на монтажной площадке. Верхняя обшивка образует кровельный настил, работает совместно с верхними поясами каркаса и может совмещать функции гидроизоляционного покрытия. Нижняя обшивка работает совместно с нижними поясами каркаса.
В каких случаях отдается предпочтение блочным конструкциям?
Блочные конструкции применяется при необходимости иметь потолок, отвечающий эксплуатационным или архитектурным требованиям.
Насколько прочна блочная конструкция?
Каркас блочной конструкции состоит из двух вертикальных ферм, соединенных поперечными вертикальными связями и поперечными ребрами (прогонами) по верхним и нижним поясам ферм. Горизонтальную жесткость в плоскости поясов обеспечивают предварительно напряженные обшивки. В торцах каркаса имеются горизонтальные фермы или балки, воспринимающие усилия натяжения обшивки и передающие их на пояса ферм.
Каков принцип работы поясов ферм и как их собирают?
Пояса ферм работают на местный изгиб от вертикальной нагрузки, поэтому их собирают из швеллеров или из неравнополочных уголков с большими полками, поставленными вертикально. Решетка фермы проектируется из одиночных уголков, а поперечные ребра — из швеллеров. Верхние плоскости стержней поясов ферм, поперечных ребер, связей должны образовывать одну поверхность (быть заподлицо) для укладки по ней обшивки.
Каким образом выполняется обшивка каркаса?
После сборки каркаса по нему раскатывают рулоны тонколистовой (1-2,5 мм) обшивки. Толщина обшивки назначается конструктивно с учетом допустимого прогиба, требований долговечности и технологичности. Она крепится к каркасу электросваркой (сплошным швом) или электрозаклепками. Блочный тип каркаса имеет хорошие показатели по расходу металла, однако трудоемкие работы на монтаже по предварительному напряжению и прикреплению к каркасу обшивки снижают его производственные показатели.
Как уменьшить металлоемкости конструкций?
В своем развитии металлоконструкции имеют тенденцию к уменьшению их металлоемкости. В этом контексте сварные балки решают проблему уменьшения массы несущих конструкций. В балке, работающей на изгиб, наиболее напряженная зона — полка. Стенка нагружена в меньшей степени. Следовательно, основная масса металла должна находиться в полках, а в стенках — меньшая доля.
Насколько рационально применение сварки в блочных конструкциях?
Сварка позволяет создавать рациональные профили. Именно благодаря применению сварки удается создавать балки разнообразных размеров — высотой до 3 — 4 м и более, а также любой длины. Кроме того, сварка позволяет наиболее рациональным образом сочетать размеры горизонтальных листов, часто называемых поясами, с вертикальной стенкой. Применяются балки с толстыми широкими поясами в сочетании с высокими тонкими стенками. Пояса часто выполняются не только из листового проката, но и из других профилей, например прокатных швеллеров, а также при необходимости из гнутых профилей. Пояса могут состоять из двух листов и более, при необходимости обладающих разными свойствами.
Как определяется экономичность сечения балки?
Показателем экономичности сечения балки служит параметр W/A, где W — момент сопротивления профиля; A — площадь сечения профиля. Чем выше это отношение, тем меньшая масса металла необходима для увеличения сопротивления профиля на изгиб. Однако создавать чрезмерно тонкие вертикальные стенки невозможно из-за недостатка местной устойчивости. Необходим оптимальный выбор размеров.
Что выгоднее — двутавровый прокат или сварная балка?
Прокат двутавровых профилей производительней сварки. Но возможность создавать сварные конструкции с желаемыми соотношениями размеров снижает расход металла и делает их более экономичными. Большое значение имеет характер производства. При крупносерийном производстве нередко оказывается рентабельнее прокатка, а при мелкосерийном и особенно в индивидуальном производстве — сварка. Широкая автоматизация производственного процесса позволяет значительно расширить сферу применения сварных конструкций.
Как добиться наибольшей прочности конструкций при меньшей затрате материала?
Поперечные сечения балок, в особенности двутаврового профиля, иногда изменяются по длине. Иногда горизонтальные пояса делают составными по толщине, если она больше или равна 25-30 мм, при этом в менее нагруженных местах число листов уменьшают. Балки переменного сечения позволяют лучше использовать несущую способность металла по всей их длине. Они дают экономию металла в сравнении с балками постоянного профиля, значительная часть которых работает при напряжениях, заметно меньших допустимых. В технологическом отношении изготовление балок переменного профиля несколько сложнее. Вопрос выбора конструкций решается не только с экономических позиций, но и с учетом общей компоновки и эстетики.
Как проектируются и где применяются балки переменного сечения?
Балки переменного сечения применяют в качестве несущих конструкций покрытий, перекрытий, площадок под оборудование, лестниц и т.д. Если балки опираются непосредственно на стенки или колонны, то их называют главными. Балки, опирающиеся на главные, называют второстепенными. Изготовление балок проектируют из прокатных двутавров (обычных или широкополочных), имеющих высоту сечения до 1 м. Если большие профили не обеспечивают заданной жесткости, то балки проектируют сварными из трех листов — стенки и двух поясов, укрепляя при необходимости стенку ребрами.
Как выполняются соединения металлоконструкций с помощью сварки?
Сварные соединения могут быть стыковыми, угловыми, нахлесточными, тавровыми и торцевыми. Кромки свариваемых деталей стачиваются под углом шлифовальной машиной или напильником. Наилучшее формирование сварочного шва обеспечивает Х-образная разделка кромок, которая позволяет уменьшить объем наплавленного металла в 1,6-1,7 раза. Такая разделка обеспечивает наименьшую величину деформации после сварки и достаточную прочность сварочного шва. Объемные металлические конструкции перед сваркой собирают согласно чертежу, временно закрепляют сопряжения. Связи собирают на болтах, что позволяет придать конструкции правильное геометрическое положение. Свариваемые детали совмещают между собой и плотно сжимают любым доступным механическим способом. Для этого чаще всего пользуются различными конструкциями тисков, струбцин, систем пазов и т.д.
Какие бывают дефекты сварного шва металлоконструкций?
При сварке металлоконструкций случаются следующие дефекты: наплыв, прожог, непровар, трещина, пористость, перегрев, пережог, подрез, образование кратера, шлакоотложение.
Отчего образуются сварочные наплывы и как их устраняют?
Наплывы образуются в результате натекания жидкого металла на кромки недостаточно прогретого основного металла, чаще всего при сварке горизонтальных швов. Наплывы срубают и проверяют, нет ли в этом месте непровара.
Как устраняются сварочные прожоги?
Прожоги (сквозное проплавление с натеками с обратной стороны свариваемого металла) возникают при большом зазоре между свариваемыми кромками, недостаточном притуплении кромок, завышенной мощности сварочного пламени, недостаточной скорости сварки. Прожоги исправляют вырубкой дефектных мест с последующей их заваркой.
Отчего образуется непровар металла?
Непровар (местное несплавление основного металла с наплавленным, а также несплавление между собой слоев шва при многослойной сварке) образуется из-за неправильной подготовки кромок под сварку, недостаточной мощности сварочного пламени, большой скорости сварки, плохой зачистки кромок перед сваркой от окалины, шлака, ржавчины и других загрязнений. Непровары, особенно по кромкам и между слоями, самые опасные, так как влияют на прочность сварочного шва. Участки с непроваром вырубают до основания металла, зачищают и заваривают.
Каковы причины образования трещин?
Это наиболее опасные дефекты сварных швов. Они могут возникать в сварном шве и в околошовной зоне. По происхождению делятся на холодные и горячие, по расположению — на поперечные и продольные, по размерам — на макро- и микроскопические. Трещины образуются в процессе и после сварки. Образованию трещин способствует повышенное содержание углерода в наплавленном металле, а также серы, фосфора и водорода. Холодные трещины возникают при температурах 100-300°С в легированных сталях и при нормальных температурах в углеродистых сталях. Причины образования трещин следующие: несоблюдение технологии и режимов сварки, неправильное расположение швов в сварной конструкции, что вызывает высокую концентрацию напряжений, приводящих к полному разрушению изделия. Большие напряжения в сварных конструкциях возникают при несоблюдении заданного порядка наложения швов. Поверхностные трещины в сварных швах вырубают полностью и заваривают. Чтобы во время вырубки трещина не распространялась дальше по шву, концы ее засверливают.
Отчего в сварных швах появляется пористость и как ее устранить?
Пористость в сварных швах появляется потому, что газы, растворенные в жидком металле, не успевают выйти наружу до затвердевания поверхности шва. Поры уменьшают механическую прочность шва. Они образуются при плохой зачистке свариваемых кромок и присадочной проволоки от грязи, ржавчины, масла, а также при повышенном содержании углерода в основном металле, большой скорости сварки, неправильном выборе сварочного пламени и марки проволоки. Газовые поры располагаются цепочкой на некотором расстоянии друг от друга или в виде скоплений размером от сотых долей миллиметра до нескольких миллиметров. Иногда поры выходят на поверхность, образуя свищи. Поры могут быть внутренние, наружные и сквозные. Участки сварных швов с порами вырубают до основного металла и заваривают.
Влияет ли перегрев металла на качество сварки?
Перегрев металла возникает при большой мощности сварочного пламени и малой скорости сварки. При этом увеличиваются размеры зерен в металле шва и в околошовной зоне, что снижает механические свойства сварного соединения, в особенности ударную вязкость. Перегрев металла исправляют последующей термической обработкой.
Насколько опасен пережог металла?
При пережоге в металле шва образуются окисленные зерна, обладающие малым взаимным сцеплением из-за наличия на них пленки окислов. Пережженный металл хрупок и не поддается исправлению. Пережог возможен при сварке окислительным сварочным пламенем и плохой защите расплавленного металла сварочной ванны от кислорода и азота воздуха. Участки с пережженным металлом вырубают до основания металла и заваривают.
Что такое подрез и как его устраняют?
При газовой сварке подрезы (уменьшение толщины основного металла в месте его перехода к усилению шва) образуются в результате повышения мощности сварочного пламени, а при электродуговой сварке — при повышенном токе и напряжении дуги. Подрезы приводят к ослаблению сечения основного металла и могут стать причиной разрушения сварного соединения, а также вызвать местную концентрацию напряжений от рабочих нагрузок. Подрезы исправляют подваркой ниточного шва. Правильный выбор режимов предотвратит образование подрезов.
Отчего образуется кратер?
Незаваренные кратеры образуются в результате резкого обрыва пламени в конце сварки. Кратеры уменьшают рабочее сечение шва, снижают его прочность и могут стать причиной образования трещин. Кратеры исправляют заваркой с предварительной вырубкой до основного металла.
Отчего образуются шлакоотложения на месте сварочного шва?
Шлаковые включения в сварном шве образуются при плохой зачистке свариваемого металла и присадочной проволоки, а также при неправильном выборе режимов сварки. Шлаковые включения ослабляют сечения шва, снижают прочность и являются зонами концентрации напряжений. Места швов со шлаковыми включениями вырубают и заваривают.
Каков фактический предел огнестойкости стальных конструкций?
Как ни парадоксально это утверждение, но металлы обладают высокой чувствительностью к высоким температурам и к действию огня. Они быстро нагреваются, что заметно снижает их прочностные свойства. Фактический предел огнестойкости стальных конструкций в зависимости от толщины элементов сечения и действующих напряжений составляет от 0,1 до 0,4 часа. В то время как минимальные значения требуемых пределов огнестойкости основных строительных конструкций, в том числе металлических, составляют от 0,25 до 2,5 ч в зависимости от степени огнестойкости зданий и типа конструкций. Для обеспечения данных требований необходимо проведение мероприятий по огнезащите металлических поверхностей.
Как лучше выполнить огнезащиту металлических конструкций?
Надо создать на поверхности конструкций теплоизолирующие экраны, выдерживающие высокие температуры и непосредственное действие огня. Это позволяет замедлить прогревание металла и обеспечить сохранение конструкцией своих функций при пожаре в течение заданного периода времени.
Какими методами осуществляется огнезащита металлических конструкций?
Наиболее доступны традиционные методы (обетонирование, оштукатуривание цементно-песчаными растворами, облицовка кирпичной кладкой, окрашивание вспучивающейся краской). Также можно применить новые современные методы, основанные на механизированном нанесении облегченных материалов и легких заполнителей (асбеста, вспученного перлита и вермикулита, минерального волокна, обладающих высокими теплоизоляционными свойствами) или на использовании плитных и листовых теплоизоляционных материалов (гипсокартонных и гипсоволокнистых листов, асбестоцементных и перлитофосфогелевых плит и др.).
Какова эффективность современных методов огнезащиты металлических конструкций?
В зависимости от толщины слоя штукатурного состава, конструктивных огнезащитных листов и плит обеспечивается предел огнестойкости стальных конструкций от 0, 25 до 2,5 часов. Действие огнезащитных красок основано на вспучивании нанесенного состава при температурах 170-200°С и образовании пористого теплоизолирующего слоя, толщина которого составляет несколько сантиметров. Вспучивающиеся краски обеспечивают защиту стальных конструкций от огня в течение 1 часа.