Металлические конструкции

1 Область  применения и особенности МК

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ: пром. здания, большепролётные  покрытия общественных зданий, мосты  и эстакады, листовые к-ии (резервуары, бункеры), башни, мачты, каркасы многоэтажных зданий.

Основные  достоинств:1.надежность обуславливается  сходством работы с расчетом в  виду изотропности и однородности.2.легкость обусловлена высокой прочностью стали.3.индустриальность-изготовление и монтаж поддается механизации  и автоматизации.4.непроницаемость  обеспечивается высокой плотностью металла.5. простота ремонта и реконструкции достигается высокой индустриальностью демонтажа и монтажа конструкций. Металлические конструкции проще других поддаются усилению, в том числе под нагрузкой.6.возможность повторного использования после переплавки.

К недостаткам металлических конструкций относятся: низкая стойкость к коррозии, относительно малая огнестойкость и дефицитность.

Низкая  стойкость к коррозии (ржавлению) требует постоянного наблюдения и ухода за конструкциями. Эксплуатационные расходы на их очистку, окраску и т.п. достаточно велики, поэтому конструктивные формы ограничены необходимостью легкого доступа ко всем поверхностям для проведения этих операций.

Малая огнестойкость проявляется в снижении прочности и модуля упругости при высоких температурах, что приводит к уменьшению несущей способности, в первую очередь—устойчивости. Модуль упругости, а, значит, и прочность стали, начинает уменьшаться при температуре более 200°С, а при 600°С сталь переходит в пластическое состояние. Для повышения огнестойкости принимают специальные меры защиты от высоких температур в виде обмазки или облицовки огнестойкими материалами.

При проектировании необходимо учитывать :условия эксплуатации, экономию металла, транспортабельность, возможность применения скоростного  монтажа, долговечность, надежность, эстетичность, типизацию.

2 Основные направления развития  МК

3 этапа развития; дореволюц-ый- кричное железо применяют в виде затяжек для кладки церквей. 1830 чугунные мосты, заклепочные соединения. Послереволюционный 1930 электротуговая сварка. Послевоенный период-вырос спрос на мк, развиваются теории расчета, с 1955 считают по предельным состояниям. Появились 1 пространственные конструкции. Жуков, Мельников, Муканов. Область применения: в промышленных зданиях, пролеты более 42м., переходы, мосты, резервуары, трубы, башни, мачты, каркасы.

Направления развития.

Массу мк можно  снизить применяя легкие конструкции  покрытия. Сечения ферм можно конструировать из тонкостенных профилей. В кровлях  применяют штампованный настил с  легким утеплителем. Для перекрытия пролетов применяют структурные- стержневые плиты- «-» сложность узловых сопряжений. Эффективность их применения можно  увеличить за счет блочных сборок на заводе. Для снижения веса- сквозные прогоны с полками из профилированных  листов.

 

3 Организация проектирования МК

Проектирование  к-ии – в 2 стадии:

1.Технический  проект: выбирается вариант, доказывается  экономическая целесообразность, рассм.источники  энергии, воды, сырья, определяются  основные к-ые схемы и подбираются  типовые к-ии. Утверждается санпин, пожарники, гл.архитектор, адм-я.

2.Рабочий  проект:

2₁.Проект КМ: делается проектной организацией в составе:- пояснительная записка с статическими и динамическими расчётами, -графическая часть с компоновочными чертежами.

2₂.КМД: разрабатывается в КБ либо на стройке; -уточняется технология уточнения монтажа, -членение к-ии на отправочные размеры, -конструируются узловые сопряжения, -методы защиты от коррозии  и методы контроля качества изготовителя.

 

4 Стали для строительных конструкций

К-ые стали  должны обладать достаточной прочностью, пластичностью, хорошей свариваемостью, стойкостью к агрессии.

1.Стали  обычной прочности: малоуглеродистые  с пределом текучести σ_у≤270МПа.

2.Повышенной  прочности σ_у≤400МПа, легированные и низколегированные стали

3.Стали  высокой прочности-низколегированные  и термически упроченные, σ_у=600…700МПа

В соответствии со СНиП марка сталей для к-ий принимается  в зависимости от степени ответственности  и условий эксплуатации.

Установлены четыре группы конструкций:

1.Сварные  к-ии либо их элементы, работающие  в особо тяжёлых условиях (знакопеременные  нагрузки, вибрация, подвижные нагрузки).

2.Сварные  к-ии либо их элементы, работающие  на статические нагрузки, преимущественно  на изгиб (балки и плиты перекрытия). 

3.Сварные  и клепанные к-ии, работающие при  статических нагрузках на сжатие (стойки, колонны).

4.Вспомогательные  к-ии зданий и сооружений, т.е.  связи, обеспечивающие устойчивость (лестницы, трапы).

Климатические районы строительства уст-ся по СНиПу  или по ГОСТу.

 

5 Алюминиевые сплавы

В чистом виде ал. конструкции в строительстве  применяется весьма редко

Способы упрочнения ал.:

1.легирование  (сплав с др. элементами с целью  понижения пластичности и повышения  прочности). Значительное увеличение  прочности ал. достигается путем  легирования его магнием, марганцем,  медью, кремнием, цинком и др.

2.упрочнение  нагортовкой (вытяжка). Повышение  предела текучести изделий из  этих сплавов в 1,5— 2 раза  может быть достигнуто холодной  деформацией (нагартовкой), относительное  удлинение при этом также существенно  снижается. 

3.термическая  обработка. Особенностью ряда  многокомпонентных сплавов А1—Mg—Si; Al — Сu—Mg; Al—Mg—Zn) является их способность к дальнейшему увеличению прочности в процессе старения после термической обработки; такие сплавы называются термически упрочняемыми.

Термическая обработка сплавов двойной композиции (А1—Mg, Al—Мn) к упрочнению не приводит; такие сплавы получили название термически неупрочняемые.

СПЛАВЫ:

1.магниевые  сплавы, ал.+магний+марганец+кремний:  хорошая свариваемость, стойкость  против коррозии, прочность на 30% ниже, чем у стали, лёгкий, для  повышения стойкости против коррозии  все ал-ые сплавы покрывают  слоем чистого ал. (лакируют).

2.ал.+медь+магний+немного  марганца (дуралюмины): прочность > прочности стали, подвергаются  термической обработке и старению.

3.Авиали: кремний+Mg+0,5%меди+марганец+Si: предел прочности ≈ пределу прочности стали, хорошо сваривается точечной сваркой, сплав конструкционный.

4.высокопрочный  сплав: прочность на 10% выше, чем  у стали, Zn+Cu+Mg+Al, хорошо сваривается.

Показатели  основных физических свойств сплавов  практически не отличаются от таковых  для чистого алюминия.

Коррозионная  стойкость сплавов зависит от состава легирующих добавок, состояния поставки и степени агрессивности внешней среды.

6 Работа стали при растяжении

Работа стали. На рисунке кривая в сталь обычной  прочности.

В первой стадии до предела пропорциональности σ_пц происходят упругие деформации, пропорциональные действующим напряжениям, - это стадия упругой работы. После снятия нагрузки образец принимает первоначальные размеры.

При дальнейшем увеличении нагрузки пропорциональность между напряжениями и деформациями нарушается — деформации начинают расти быстрее напряжений (участок  между σ_пц и σ_т).

Последующее увеличение напряжений приводят к развитию больших деформаций изделия при  постоянных напряжениях — к образованию  площадки текучести. Этой стадии пластического  течения отвечают напряжения предела  текучести. После снятия нагрузки упругая  часть деформаций возвращается (линия  разгрузки идет параллельно линии  нагрузки), а необратимая остается, приводя к остаточным деформациям.

Стадию работы материала, в которой происходит повышение сопротивления внешним  воздействиям после площадки текучести  до временного сопротивления, называют стадией самоупрочнения. В этой стадии материал работает как упругопластический.

Во все  время растяжения продольным деформациям  удлинения сопутствуют поперечные деформации сужения, причем при подходе  к временному сопротивлению деформации удлинения и сужения начинают концентрироваться в наиболее слабом месте, образуя шейку. Сечение в  месте шейки интенсивно уменьшается, что приводит к повышению напряжений в месте сужения, поэтому, несмотря на то, что нагрузка на образец снижается, по месту образования шейки происходит разрыв.

7 Работа стали при изгибе

Изгиб занимает промежуточное значение между растяжением и сжатием. В 1 стадии по закону Гука пропорциональная зависимость, эпюра не искривлена, напряжения меньше чем предел текучести. Во 2 стадии в крайних волокнах появляются деформации пластичности на небольшой высоте. В 3 стадии волокна укорачиваются, удлиняются, элемент течет. Может произойти  изгиб из плоскости или кручение элемента. Ось относительно которой  идет поворот называется осью пластичности, а само явление называется шарнир пластичности. В расчетах учет пластич.деформаций производится коэффициентом пластичности-который  учитывает появление пластич.необратимых  деф. Берется по таблице в зависимости  от формы сечения и от соотношения  размера сечения с учетом пластических деформаций подбираются все прокатные  балки, а также составные.

 

8 Работа стали при сложном напряженном  состоянии

Сложное напряжённое состояние характеризуется  наличием 2х или 3х главных нормальных напряжений σ₁, σ₂  и σ₃ , действующих одновременно.

Это такое  состояние, при котором к-ия перестаёт  удовлетворять предъявляемым к  ней требованиям. Переход в пластическое состояние зависит от знака и  соотношения действующих напряжений. При однозначном поле напряжений, когда все напряжения либо растягивающие, либо сжимающие, напряжения σ₂ и σ₃ сдерживают развитие деформаций в направлении напряжения σ₁. в этом случае развитие пластических деформаций запаздывает, предел текучести повышается, а протяжённость площадки текучести уменьшается, возникает опасность хрупкого разрушения. При разнозначных напряжениях наблюдается обратная картина. Пластические деформации начинаются раньше, чем главные напряжения достигли предела текучести одноосного нагружения. Сталь становится боле пластичной.

1.Несущая  способность: расчет на устойчивость, расчёт на прочность σ≤R_yγ_c/γ_n, R_uγ_c/γ_n.

2.Пригодность  к нормальным эксплуатациям (деформативность).

В соответствии с энергетической теорией прочности  элемент достигает своего предельного  состояния, если приведённое напряжение в нём =пределу текучести σ_привед= σ_red= σ_тек ,         σ_red=√ σ₁²+ σ₂²+ σ₃²- σ₁ σ₂- σ₁ σ₃- σ₃ σ₂+3τ²_1,2+3τ²_1,3+3τ²_3,2≤R_y

τ> 0,3R_s,R_s=0,58R_y. τ_max=QS_x/I_xt_w≤0,6R_y, σ=M/WC≤R_y, σ_red=√σ²+3τ²≤1,15R_yγ_c.

γ_c-коэфф. условия работы к-ии, кот. принимается по СНиПу в зависимости от t, агрессивности среды и времени воздействия нагрузки, 1,15-коэффициент, учитывающий пластичность.

 

9 Нормативное и расчетное сопротивление  материалов

R_yn-по пределу текучести, R_un- по пределу прочности.

За нормативное сопротивление  сжатию, растяжению и изгибу прокатной  стали принимают наименьшее контрольное (браковочное) значение предела текучести, гарантированное ГОСТом на металл. При возможности эксплуатации к-ии за пределами упругости разрешается  увеличить нормативное сопротивление  до минимального браковочного значения предела прочности. Это возможно в к-ях цилиндрической формы, работающих в условиях избыточных давлений. В  процессе эксплуатации сопротивление  может изменится.

Возможное отклонение сопротивления материала  в неблагополучную сторону учитывается  коэффициентом надёжности по материалу. γ_m-учитывает отличие свойств реальной к-ии от идеального образца (для стали =1,05). R_y=R_yn/γ_m; R_u=R_un/γ_m;

Все расчётные  нормативные сопротивления находятся  в таблицах СНиПа по маркам стали  в зависимости от вида проката (листовой, фасонный).

R_s-расчётное сопротивление срезу, R_s=0,58R_у.

R_p-расчётное сопротивление торцевому смятию, R_p=R_un/γ_m.

При расчёте  к-ий также учитывается 2 коэффициента:

1.γ_с-коэфф. надёжности по условиям работы, по таблицам СНиП в зависимости от t, длительности воздействия нагрузки и агрессивности среды σ=N/A≤R_yγ_c.

2. γ_n-коэфф. надёжности по назначению≤1, устанавливается правилами учёта степени ответственности зданий и сооружений.