Реферат - Металлические конструкции - файл n1.doc

Реферат - Металлические конструкции
скачать (1564.5 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc1565kb.11.06.2012 05:52скачать

n1.doc



«Северо-Восточный Федеральный Университет им. М.К. Аммосова»

Инженерно-технический факультет

Кафедра экспертизы, управления и кадастра недвижимости

Реферат

по дисциплине «Основы строительного дела»

на тему: «Металлические конструкции»

Выполнила: ст. гр. ЗК-09

Дягилева Алёна

Проверила: Жукова

Наталья Дмитриевна
Якутск, 2011

Содержание

1. Введение 3

2. История 4

3. Номенклатура и область применения металлических конструкций 8

4. Свойства строительных сталей и алюминиевых сплавов 10

5. Классификация сталей 10

6. Выбор сталей для строительных конструкций 12

7. Влияние различных факторов на свойства стали 13

8. Виды разрушений 13

9. Основы расчета металлических конструкций 14

10. Основные положения расчета металлических конструкций 15

11. Классификация нагрузок и их свойства 16

Литература 17


1. Введение

Стальные конструкции применяются главным образом для каркасов большепролётных зданий и сооружений, для цехов с тяжёлым крановым оборудованием, домен, резервуаров большой ёмкости, мостов, сооружений башенного типа и др. Области применения стальных и железобетонных конструкций в ряде случаев совпадают. При этом выбор типа конструкций производится с учётом соотношения их стоимостей, а также в зависимости от района строительства и местонахождения предприятий строительной индустрии. Существенное преимущество стальных конструкций (по сравнению с железобетонными) — их меньшая масса. Этим определяется целесообразность их применения в районах с высокой сейсмичностью, труднодоступных областях Крайнего Севера, пустынных и высокогорных районах и т.п. Расширение объёмов применения сталей высокой прочности и экономичных профилей проката, а также создание эффективных пространственных конструкций (в т. ч. из тонколистовой стали) позволят значительно снизить вес зданий и сооружений.

В металлических конструкциях применяются: прокатная сталь — более 95%, отливки из стали и серого чугуна — менее 1%, алюминиевые сплавы — менее 5%. Существующие строительные нормы «Стальные конструкции» предусматривают применение тринадцати сталей — от С235 до С590. В рамках нашего курса мы будем иметь дело со сталями, наиболее распространенными в простых инженерных сооружениях: С235, С245, С275, С345.


2. История

Металл применяли давно с ХII века в уникальных по тому времени сооружениях (дворцах, церквах, и т. д.) в виде затяжек и скреп для каменной кладки. Затяжки выковывали из кричного железа и скрепляли через проушины на штырях. Первой такой конструкцией являются затяжки Успенского собора во Владимире (1158 г.). Покровский собор в Москве – первая конструкция, состоящая из стержней, работающих на растяжение, изгиб и сжатие. Там затяжки, поддерживающие пол и потолок, укреплены для облегчения работы на изгиб подкосами. Конструктор уже в то время знал, что для затяжки, работающей на изгиб, надо применить полосу, поставленную на ребро, а подкосы, работающие на сжатие, лучше делать квадратного сечения (рис.1).


Рис.1. Перекрытие коридора в Покровском соборе (Москва, 1560 г.)

С начала XVII века металл применяют в пространственных купольных конструкциях глав церквей. Стержни конструкций выполнены из кованых брусков и соединены на замок и скрепы горной сваркой.

С начала XVIII стали осваивать процесс литья чугунных стержней и деталей. Строятся чугунные мосты. Соединения чугунных элементов осуществляются на замках и болтах. Первой чугунной конструкцией в России считается покрытие крыльца Невьянской башни на Урале (1725 г.). В 1784 г. в Петербурге построен первый чугунный мост. В 50-е годы ХIХ века в Петербурге был построен Николаевский мост с восемью арочными пролетами от 33 до 47 м, это самый крупный чугунный мост мира.

С 30-х г. ХIХ века до 20-х г. ХХ века – идет быстрый технический прогресс в металлургии и металлообработке, появляются заклепочные соединения, в 40-х г. ХIХ века освоен процесс получения профильного металла и прокатного листа. Сталь почти полностью вытеснила из строительных конструкций чугун. Все стальные конструкции в течение ста последующих лет выполнялись клепанными.

До конца ХIХ века в России промышленные и гражданские здания строились в основном с кирпичными стенами и небольшими пролетами, для перекрытия использовались треугольные металлические фермы (рис.3). Сначала в фермах не было раскосов, они появились в конце рассматриваемого периода.



Рис.3. Стропильная ферма (70-е годы ХIХ в.)

Во второй половине ХIХ века значительное развитие получило металлическое мостостроение, где стали применять решетчатые фермы с треугольной шпренгельной решеткой, появляется металлический сортамент прокатных профилей.

В начале ХХ века промышленные здания стали строить с металлическим каркасом, который поддерживал как ограждающие конструкции, так и пути мостовых кранов. Несущим элементом каркаса стала поперечная рама, состоящая из колонн и ригелей (стропильные фермы). Сталь стала вытеснять чугун.

В конце ХIХ столетия стали применять решетчатые рамно-арочные конструкции для перекрытий зданий значительных пролетов. Развивается металлическое мостостроение (например, мост с решетчатыми фермами через реку Лугу, 1853 г.).

Дальнейшее развитие металлургии, машиностроения и других отраслей промышленности потребовало оборудования зданий мостовыми кранами. Сначала их устанавливали на эстакадах, но с увеличением грузоподъемности стало целесообразно строить здания с металлическим каркасом, поддерживающим пути мостовых кранов. Основным несущим элементом каркаса стала поперечная рама (рис.5).




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

Профессор Ф.С.Ясинский первый запроектировал многопролетное промышленное здание. Академик В.Г.Шухов первый в мире разработал и построил пространственные и решетчатые конструкции покрытий и башен различного назначения. В построенных им сооружениях реализованы идеи предварительного напряжения конструкций и возведения покрытий в виде висячих систем. Тем самым он предугадал будущие направления в развитии металлических конструкций.

К концу 40-х годов ХХ века клепаные конструкции почти полностью заменили сварными, более экономичными. Появляются низколегированные и высокопрочные стали. Кроме стали, начали использовать алюминиевые сплавы, плотность которых почти втрое меньше.

Расширилась номенклатура металлических конструкций. Большие и многообразные задачи по развитию металлических конструкций решались усилиями проектных, научных и производственных коллективов – Проектстальконструкций, Промстройпроекта и ЦНИПС, переименованного в дальнейшем в ЦНИИСК.

Проектировщики взяли за основу схему конструирования поперечной рамы с жестким сопряжением колонны с фундаментами и ригелем. С развитием металлических конструкций, большим объемом и связанная с ним повторяемость конструкций создали предпосылки для разработки типовых систем и конструктивных решений промышленных зданий. Типизация распространялась на пролетные строения мостов, резервуары, газгольдеры, радиобашни, радиомачты. Типизация, унификация и стандартизация – одно из главных направлений развития металлических конструкций. Это снижало трудоемкость изготовления и монтажа конструкций, уменьшало расход стали. Из общественных сооружений можно выделить павильон Космоса на ВВЦ (Москва), перекрытие Дворца спорта в Лужниках, уникальные большепролетные сооружения с металлическими несущими конструкциями, построенными в Москве к Олимпиаде-80.

Наряду с совершенствованием конструкций развивались формы и методы расчета. До 1950 г. расчет велся по методу допустимых напряжений. Такой расчет недостаточно полно отражал действительную работу конструкции под нагрузкой, приводил к перерасходу металла, поэтому был разработан метод предельного состояния. Появляются ЭВМ, что позволяет проектировщику найти быстро конструктивные оптимальные решения.

Успехами в развитии металлических конструкций мы обязаны профессору Н.С.Стрелецкому, который 50 лет возглавлял школу металлостроения, который явился одним из инициаторов перехода от расчета по допускаемым напряжениям к расчету по предельным состояниям.

Параллельно с развитием металлостроения в России, расширяется его использование и в западных странах. Первый чугунный мост был построен в Англии через реку Северн в 1776-1779 гг., пролетом 30,6 м. Мост через Менейский пролив в Англии построен в 1818-1826 гг., пролетом 176,5 м. В 1832-1840 гг. построен мост во Фрейбурге в Швейцарии, пролетом 273 м, а в 1889 г. строится Эйфелева башня в Париже, высотой 300 м и многие другие сооружения.



3. Номенклатура и область применения

металлических конструкций

Металлические конструкции применяются во всех инженерных сооружениях значительных пролетов, высоты и нагрузок. В зависимости от конструктивной формы и назначения металлические конструкции можно разделить на восемь видов:

  1. Промышленные здания – цельнометаллические или со смешанным каркасом (колонны железобетонные). Цельнометаллические в зданиях с большим пролетом, высотой и грузоподъемностью.

  2. Большепролетные покрытия зданий – спортивные сооружения, рынки, выставочные павильоны, театры, ангары и др. (пролеты до 100-150 м).

  3. Мосты, эстакады – мосты на железнодорожных и автомобильных магистралях.

  4. Листовые конструкции – резервуары, газгольдеры, бункеры, трубопроводы большого диаметра и др.

  5. Башни и мачты – радио и телевидения в геодезической службе, опоры линии электропередачи, нефтяные вышки и др.

  6. Каркасы многоэтажных зданий. Применяются в многоэтажных зданиях, в условиях плотной застройки больших городов.

  7. Крановые и другие подвижные конструкции – мостовые, башенные, козловые краны, конструкции экскаваторов и др.

  8. Прочие конструкции по использованию атомной энергии в мирных целях, разнообразные конструкции радиотелескопов для космической и радиосвязи, платформы для разведки и добычи нефти и газа в море и др.





Достоинства металлических конструкций:

  1. Надежность. Материал (сталь, алюминиевые сплавы) обладает большой однородностью структуры.

  2. Легкость. Металлические конструкции самые легкие.

  3. Индустриальность. Изготовление и монтаж металлических конструкций производится специализированными организациями с использованием высокопроизводительной техники.

  4. Непроницаемость. Обладают высокой прочностью и плотностью, непроницаемостью для газов и жидкостей.

Недостатки металлических конструкций:

  1. Коррозия. Незащищенность от влажной среды, атмосферы, загрязненной агрессивными газами, сталь коррозирует (окисляется) и разрушается. Поэтому в сталь включают специальные легирующие элементы, покрывают защитными пленками (лаки, краски и т.д.).

  2. Небольшая огнестойкость. У стали при температуре 200˚С уменьшается модуль упругости, а при температуре 600˚С сталь полностью переходит в пластическое состояние. Алюминиевые сплавы переходят в пластическое состояние при 300˚С. Поэтому металлические конструкции защищают огнестойкими облицовками (бетон, керамика, специальные покрытия и т.д.).

При проектировании металлических конструкций должны учитываться следующие требования:

  1. Условия эксплуатации.

  2. Экономия металла (высокая стоимость).

  3. Транспортабельность (перевозка по частям или целиком с применением соответствующих транспортных средств).

  4. Технологичность – использование современных технологических приемов, обеспечивающих снижение трудоемкости.

  5. Скоростной монтаж. Сборка в наименьшие сроки.

  6. Долговечность – определяется сроками физического и морального износа.

  7. Эстетичность. Конструкция должна обладать гармоничными формами.

Основным принципом проектирования является достижение трех главных показателей: экономии стали, повышение производительности труда при изготовлении, снижение трудоемкости и сроков монтажа, которые определяют стоимость конструкции.

Достигается это путем использования низколегированных и высокопрочных сталей, экономичных прокатных и гнутых профилей, внедрения в строительство пространственных, предварительно напряженных, висячих, трубчатых и т. П. конструкций, совершенствованием методов расчета и изысканием конструктивных оптимальных решений с использованием ЭВМ. Кроме того, разработаны типовые решения часто повторяющихся конструктивных элементов – колонн, ферм, подкрановых балок, оконных и фонарных проемов, башен, опор линии электропередачи т.п.

4. Свойства строительных сталей и алюминиевых сплавов

Для строительных металлических конструкций используются, в основном, стали и алюминиевые сплавы.

Наиболее важными для работы являются механические свойства: прочность, упругость, пластичность, склонность к упругому разрушению, ползучесть, твердость, а также свариваемость, коррозионная стойкость, склонность к старению и технологичность.

5. Классификация сталей

По прочностным свойствам стали условно делятся на:

  1. обычной прочности (Ơ у = 29 кН/см);

  2. повышенной прочности (Ơ у = 29-40 кН/см);

  3. высокой прочности (Ơ у > >40 кН/см).

По химическому составу стали, подразделяются на:

  1. Углеродистые стали состоят из железа и углерода с добавкой кремния (или алюминия) и марганца.

  1. Легированные стали помимо железа и углерода имеют специальные добавки, улучшающие качество стали. Однако, добавки ухудшают свариваемость стали и удорожают ее, поэтому в строительстве используют низколегированные стали с содержанием добавки не более 5%.

Основными легирующими добавками являются:

В зависимости от вида поставки стали подразделяются на:

  1. горячекатаные

  2. термообработанные (закалка в воде и высокотемпературный отпуск).

По степени раскисления стали могут быть:

  1. кипящими;

  2. полуспокойными – промежуточная между кипящей и спокойной;

  3. спокойными, используют при изготовлении ответственных конструкций, подвергающихся динамическим воздействиям.


6. Выбор сталей для строительных конструкций.

Выбор стали ведется на основе вариантного проектирования и технико-экономического анализа с учетом рекомендаций норм. Поэтому следует стремиться к большей унификации конструкций, сокращению числа профилей и сталей. Выбор стали, зависит от следующих параметров, влияющих на работу материала:

В зависимости от условий работы материала все виды конструкций разделены на четыре группы:

I группа – сварные конструкции, работающие в особо тяжелых условиях, поэтому возможно хрупкое и усталостное разрушение. К свойствам сталей для этих конструкций предъявляются наиболее высокие требования.

II группа – сварные конструкции, работающие на статическую нагрузку при воздействии одноосного и однозначного двухосного поля растягивающих напряжений (например, фермы, ригели рам, балки перекрытий и покрытий и т. д.), а также конструкции первой группы при отсутствии сварных соединений. Общим для конструкций этой группы является повышенная опасность хрупкого разрушения. Вероятность усталостного разрушения меньше, чем для первой группы.

III группа – сварные конструкции, работающие при преимущественном воздействии сжимающих напряжений (например, колонны, стойки, опоры под оборудование и др.), а также конструкции второй группы при отсутствии сварных соединений.

IV группа – вспомогательные конструкции и элементы (связи, элементы фахверка, лестницы, ограждения и т. п.), а также конструкции третьей группы при отсутствии сварных соединений.

Если для конструкций третьей и четвертой групп достаточно ограничиться требованиями к прочности при статических нагрузках, то для конструкций первой и второй групп важна оценка сопротивления стали динамическим воздействиям и хрупкому разрушению.

В материалах для сварных конструкций обязательно следует оценить свариваемость. Требования к элементам конструкций, не имеющих сварных соединений, могут быть снижены.

В СНиПе II-23-81 содержится перечень сталей в зависимости от группы конструкций и климатического района строительства.

7. Влияние различных факторов на свойства стали

Старение. Старению способствуют – механические воздействия, особенно пластические деформации (механическое старение), температурные колебания, приводящие к изменению растворимости и скорости диффузии компонентов (температурное старение). При температуре 150-200єС старение резко возрастает.

Наклеп. Повышение упругой работы материала в результате предшествующей пластической деформации называется наклепом. При наклепе искажается атомная решетка и увеличивается плотность дислокаций. Пластичность стали снижается, повышается опасность хрупкого разрушения, что неблагоприятно сказывается на работе строительных конструкций. Наклеп возникает в процессе изготовления конструкций при холодной гибки элементов, пробивке отверстий, резке ножницами.

Влияние температуры. Механические свойства стали при нагревании ее до температуры t = 200-250˚С практически не меняются.

При температуре 250-300˚С прочность стали повышается, но снижается пластичность. Сталь становится более хрупкой.

Нагрев свыше 400˚С приводит к резкому падению предела текучести и временного сопротивления, при t = 600-650єС наступает температурная пластичность и сталь теряет свою несущую способность.

При отрицательных температурах прочность стали возрастает, временное сопротивление и предел текучести сближаются, ударная вязкость падает и сталь становится хрупкой.

Склонность стали к хрупкому разрушению при низких температурах зависит от величины зерна (мелкозернистые стали лучше сопротивляются хрупкому разрушению и имеют более низкий порог хладноломкости), наличия вредных примесей (фосфор, сера, азот, водород), толщины проката (масштабный фактор).

8. Виды разрушений

Разрушение металла в зависимости от степени развития пластических деформаций может быть хрупким или пластичным (вязким).

Хрупкое разрушение происходит путем отрыва (рис.1.3,а), без заметных деформаций, внезапно.

Пластическое разрушение является результатом сдвига, сопровождается значительными деформациями, которые могут быть своевременно обнаружены, и поэтому менее опасно (рис.1.3, б).

Один и тот же материал может разрушаться хрупко и пластично (вязко) в зависимости от условий работы (вид напряженного состояния, наличия концентраторов напряжений, температура эксплуатации).

При отрыве разрушается межатомная решетка. Зная силы сцепления между атомами, можно определить прочность кристалла при отрыве, которая равна приблизительно 3300 кН/смІ.

Сдвинуть одну часть кристалла относительно другой значительно легче, так как касательные напряжения, которые необходимо приложить для смещения составляют около 1300 кН/смІ (рис.1.3,в), что намного больше предела текучести реальных материалов.

Рис.1.3. Виды разрушения:

а - отрыв; б - срез; в - схема смещения атомных слоев при сдвиге;

г - диаграмма работы материала; 1 – плоское скольжение;

2 – вязкое разрушение; 3 – хрупкое разрушение

9. Основы расчета металлических конструкций

Проектирование металлических конструкций – многоэтапный процесс, включающий в себя выбор конструктивной формы, расчет и разработку чертежей для изготовления и монтажа конструкций.

Целью расчета является строгое обоснование габаритов конструкции, ее размеров поперечных сечений и их соединений обеспечивающих условия эксплуатации в течение всего срока с необходимой надежностью и долговечностью при минимальных затратах материалов и труда на их создание и эксплуатацию. Эти требования часто противоречат друг другу (минимальный расход металла и надежность), поэтому реальное проектирование является процессом поиска конструктивного оптимального решения.

Расчет состоит из следующих этапов:

  1. установления расчетной схемы;

  2. сбор нагрузок;

  3. определения усилий в элементах конструкций;

  4. подбор сечений;

  5. проверка допустимости напряженно-деформированного состояния конструкций, ее элементов и соединений.

До 1951г. расчет металлических конструкций производился по допускаемым напряжениям с использованием единого коэффициента запаса. В 1951г. выходят новые строительные нормы и правила, основанные на методе предельных состояний, где вместо одного используются три коэффициента, обоснованные методами математической статистики.

Достоинством методики допустимых напряжений является простота, но эта методика недостаточно точно учитывает факторы, влияющие на работу конструкции. Вероятностные методы слишком сложны для повседневной инженерной практики. Применение их оправдано при проектировании уникальных, ответственных сооружений.

Поэтому оптимальной считается методика предельных состояний, которая проста и научно обоснована.

10. Основные положения расчета металлических конструкций

Предельным называется состояние конструкции, при котором она перестает удовлетворять эксплуатационным требованиям.

В соответствии с характером требований, предъявляемых к конструкции, различают первое и второе предельное состояния. В нормах проектирования они фигурируют как группы предельных состояний:

I группа включает в себя потери несущей способности и полную непригодность конструкции к эксплуатации вследствие потери устойчивости, разрушения металла, качественного изменения конфигурации, чрезмерного развития пластических деформаций.

II группа предельных состояний характеризуется затруднением нормальной эксплуатации сооружений или снижением долговечности вследствие появления недопустимых перемещений (прогибов, осадок опор, углов поворота колебаний, трещин и т.п.).

Расчетные формулы для подбора сечений и проверки несущей способности конструкции по первому предельному состоянию исходят из основного неравенства

,

где N – предельное наибольшее усилие в конструкции, вызываемое внешними воздействиями; S – предельная несущая способность конструкции, зависящая от прочности материала, размеров поперечного сечения и условий работы конструкции.

Нормативные нагрузки определяются по СНиП 2.01.07-85 “Нагрузки и воздействия”.

Обычно на конструкции действует одновременно несколько видов нагрузок. Поэтому и суммарное воздействие всех расчетных нагрузок должно иметь статистическую изменчивость. Чем больше одновременно действующих нагрузок учитывается в расчете, тем меньше вероятность превышения их максимального суммарного воздействия.

11. Классификация нагрузок и их сочетаний

При методике предельных состояний все нагрузки классифицированы в зависимости от вероятности их воздействия на нормативные и расчетные.

По признаку воздействия нагрузки разделяются на:

  1. Постоянные нагрузки – собственный вес несущих и ограждающих конструкций, давление грунта, предварительное напряжение.

  2. Временные длительные нагрузки – вес стационарного технологического оборудования, вес складируемых материалов в хранилищах, давление газов, жидкостей и сыпучих материалов в емкостях и т.д.

  1. Особые нагрузки – сейсмические воздействия, взрывные воздействия. Нагрузки, возникающие в процессе монтажа конструкций. Нагрузки, связанные с поломкой технологического оборудования, воздействия, связанные с деформациями основания в связи с изменениями структуры грунта (просадочные грунты, осадка грунтов в карстовых районах и над подземными выработками).

  2. Полезные нагрузки, восприятие которых составляет цельное назначение сооружений, например, вес людей для пешеходного моста. Они бывают как временными, так и постоянным, например, вес монументального выставочного сооружения является постоянной нагрузкой для постамента. Для фундамента вес всех вышележащих конструкций также представляет полезную нагрузку.

В СНиПе 2.01.07-85 “ Нагрузки и воздействия” различают:

Литература

  1. СНиП 2.01.07-85 “Нагрузки и воздействия”.

  2. СНиП II-23-81 «Стальные конструкции»

  3. Беленя Е.И., Стрелецкий Н.Н., Ведеников Г.С. Металлические конструкции: Спец. курс: Учеб. для вузов. – 2-е изд., перераб.и доп. – М.: Стройиздат, 1982. – 472с.

  4. Бирюлев В.В., Кошин И.И., Крылов И.И., Сильвестров А.В. Проектирование металлических конструкий: Спец. курс. Учеб. для вузов. – Л.: Стройиздат, 1990 – 432с.

  5. Горев В.В., Уваров Б.Ю., Филиппов В.В., Белый Г.И. и др. Металлические конструкции. В 3 т. Т. 2. Конструкции зданий: Учеб. для строит. вузов. – 2-е изд., испр. – М.: Высш. шк., 2002. – 528с.: ил.

  6. Михайлов А.М. Металлические конструкции в примерах: Учеб. для техникумов. – М., Стройиздат, 1976. – 320с.

  7. Сетков В.И., Сербин Е.П. Строительные конструкции: Учебник. – 2-е изд., доп. и испр. – М.: ИНФРА-М, 2005. – 448с.

  8. Файбишенко В.К. Металлические конструкции: Учеб. для вузов. – М.: Стройиздат, 1984. – 336с., ил.

  9. http://bse.sci-lib.com/article106841.html




Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации