Основные требования, предъявляемые к металлическим конструкциям

Блок основных требований, предъявляемых к металлическим конструкциям, представлен на рис. 1.3. Большинству требованиям строительные конструкции должны соответствовать на стадиях проектирования, изготовления, транспортирования, монтажа и эксплуатации.

Главное требование, не только к металлическим конструкциям, – это соответствие эксплуатационному назначению, т.е. обслуживанию того технологического процесса, который должен протекать в проектируемом здании или сооружении. При этом должны быть обеспечены удобство и безопасность с наименьшими затратами для поддержания конструкций в надежном состоянии. Это требование в основном определяет систему, конструктивную форму сооружения и выбор материала для него, Выполнению этого требования подчинены все задачи проектирования.

Технические требования сводятся к обеспечению прочности, устойчивости, жесткости. Эти требования определяются СНиП на проектирование металлоконструкций. Сюда же относится и требование надежности, которое заключается в том, что конструкция должна безотказно работать в течение заданного расчетного периода эксплуатации, и долговечности конструкции, определяемой сроками ее физического и морального износа.

Рис. 1.3. Основные требования к металлическим конструкциям

Физический износ металлических конструкций связан с коррозией и с накоплением других эксплуатационных повреждений. Моральный – с изменением требований и условий эксплуатации (реконструкция производства, модернизация оборудования, изменение санитарных норм и т.п.).

Экономичность определяется затратами на металл и другие материалы, необходимые для изготовления конструкций, стоимостью изготовления, транспортирования и монтажа.

Экономия металла – одно из важнейших требований при проектировании металлических конструкций, так как стоимость металла составляет более половины стоимости конструкций. К тому же сталь является дифицитным материалом, широко применяемым в других областях промышленности.

Экономия металла достигается на основе реализации следующих основных направлений: совершенствование применяемых в строительстве металлоконструкций (практикой наработано большое количество различных видов конструкций); создание и внедрение в строительстве современных эффективных конструктивных форм и систем (пространственные, предварительно напряженные, висячие, структурные и т.п.); совершенствование методов расчета и изыскание оптимальных конструктивных решений с использованием электронно-вычислительной техники.

Совершенствование существующих конструкций, в первую очередь, обеспечивается применением сталей повышенной и высокой прочности, использованием наиболее экономичных прокатных и гнутых профилей.

Стали повышенной и высокой прочности получают путем легирования и термической обработки, что увеличивает их стоимость. Однако увеличение стоимости отстает от роста прочности металла.

В растянутых элементах и системах повышение прочности реализуется прямым путем (чем выше прочность, тем меньше размеры сечения элемента, воспринимающего одно и то же усилие): требуемая площадь A = N/Ry.

Для сжатых элементов, для которых основным предельным состояниям является потеря устойчивости, повышение прочности стали вступает в противоречие с гибкостью элемента: требуемая площадь A = N/(φRy).

При увеличении прочности размеры сечения элемента A, воспринимающие усилие N, должны уменьшаться, и, как следствие, уменьшаться радиус инерции i. При этом гибкость λ = lef/i увеличивается, а коэффициент продольного изгиба φ, принимаемый по гибкости, уменьшается, что, в свою очередь, приводит к увеличению требуемой площади сечения.

Наибольший эффект от применения высокопрочных сталей может быть получен в сжатых элементах с ограниченной гибкостью до 50 – 60. Особенно целесообразно применение этих сталей в большепролетных и тяжелонагруженных конструкциях, так как для восприятия больших усилий требуются сечения элементов значительных размеров, обладающих большой жесткостью.

Следует отметить, что снижение веса конструкций косвенно сказывается на уменьшении размеров нижерасположенных конструкций (стены, колонны, фундаменты и т.п.), воспринимающих нагрузку от собственного веса, а также при транспортировании и монтаже наиболее легких конструкций.

Мерой эффективности профиля для изгибаемых элементов является ядровое расстояние , а для сжатых – удельный радиус инерции .

Чем выше характеристики момента сопротивления W и радиуса инерции i при одинаковом расходе металла (площадь сечения A одинакова для всех сечений), тем выгоднее сечение балки как конструкции, работающей на изгиб, а колонны, работающей на сжатие.

Для получения высоких характеристик ρ и i материал по сечению необходимо располагать на максимальном удалении от центра тяжести (табл.1.1).

Наиболее эффективным сечением для балок, изгибаемых в одной плоскости (относительно x-x) является двутавровое сечение, а для элементов, работающих на осевое сжатие, – трубы круглого, квадратного и прямоугольного сечений.

Одним из видов эффективных гнутых профилей в кровлях применяяется профилированный настил, обладающий значительной поперечной жесткостью, в то же время у стального листа толщиной до 1 мм, из которого выполнен настил, жесткость для работы на поперечный изгиб практически отсутствует.

Таблица 1.1

Сравнительная оценка жесткости изгибаемого элемента

при различной компоновке сечения

(условно стенка в двутавре исключена)

Конструкции должны быть наименее трудоемки при изготовлении, что достигается простой формой, минимальным количеством деталей, возможностью механизированной обработки, простотой и удобством сборки и сварки.

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

Транспортабельность конструкций. В связи с изготовлением металлических конструкций на заводе с последующей перевозкой их к месту монтажа должно быть предусмотрено разделение конструкций на отправочные элементы, соответствующие транспортным средствам по массе и габаритам.

Основным способом доставки конструкций является транспортирование их по железной дороге, поэтому отправочный элемент должен вписываться в железнодорожный габарит.

Скоростной монтаж определяется соответствием конструкции возможностям ее сборки в наименьшие сроки при меньшей трудоемкости с использованием современного монтажного оборудования. Быстрый ввод здания или сооружения в эксплуатацию позволяет получить дополнительную прибыль, тем самым компенсировать часть затрат на строительство.

Ведущим принципом скоростного монтажа является предварительная сборка конструкций в крупные блоки на земле с последующим подъемом и установкой их в проектное положение при минимальном объеме монтажных работ наверху.

Эстетичность. Конструкции независимо от их назначения должны обладать гармоничными формами, иметь приятный внешний вид, что особенно важно для общественных зданий и сооружений, отражать национальные особенности и традиции.