Технические особенности изготовления строительных металлоконструкций

Элементы каркаса строительных металлоконструкций подразделяются на два вида, в зависимости от нагружаемых их сил:

- балки – элементы, работающие в основном на изгиб (в одной плоскости или различных плоскостях) и кручение;

- стойки – элементы, работающие на сжатие и продольный изгиб.

Наиболее часто применяют сварные балки двутаврового и коробчатого профилей. Двутавровые балки хорошо сопротивляются изгибу в плоскости своей наибольшей жесткости, коробчатые балки сопротивляются изгибу в различных плоскостях и кручению (рисунок 2).

Рисунок 2 – Типы поперечных сечений сварных коробчатых балок

Поперечные сечения балок иногда изменяются по длине. В некоторых случаях изменяют толщину или ширину горизонтальных листов. Это более целесообразно, нежели изменять толщину вертикальных листов. Применяют балки переменной высотой вертикальных листов. Иногда горизонтальные пояса делают составными по толщине (рисунок 3).

а – по толщине листа; б – по высоте; в – по числу листов в поясах

Рисунок 3 – Балки с изменяющимся поперечным сечением

Балки переменного сечения позволяют использовать несущую способность металла по всей их длине. Они дают экономию металла в сравнении с балками постоянного профиля, значительная часть которых работает при напряжениях, значительно меньших, допускаемых. В технологическом отношении балки переменного профиля несколько сложнее. Вопрос выбора конструкции решается с экономических позиций, а иногда и с учетом общей компоновки и эстетики.

Балка должна удовлетворять требованиям жесткости, т.е. её прогиб от наибольшей нагрузки не должен превышать предельно допустимого. Обычно в балках предельное значение отношения прогиба по длине регламентируется нормами, приведенными в таблице 1. Чтобы удовлетворить требованиям жесткости, балка должна иметь высоту не менее некоторой предельной. Эта минимальная высота определяется видом нагружения и допускаемыми напряжениями.

Примером балок служит типовая подкрановая балка длинной 12 м грузоподъемностью 5 – 75 тонн (рисунок 4). С изменением нагрузок меняются высота и размер поперечного сечения балок, но разбивка ребер жесткости остается прежней.

Таблица1 – Предельные прогибы изгибаемых элементов строительной конструкции

.

Рисунок 4 – Конструкция сварной подкрановой балки

Для производства подкрановых балок применяют высокопрочные материалы с высоким пределом текучести. Обеспечить устойчивость подкрановой балки двутаврового профиля из указанного материла трудно, так как балки получаются высокими. Поэтому более рационально применение коробчатых профилей с тонкими вертикальными листами.

Стойками – называют элементы, работающие преимущественно на сжатие с продольным изгибом. Поперечные сечения стоек из проката имеют различную форму, в соответствии с рисунком 5. Она зави­сит от значения усилия, наличия эксцентриситета, длины стойки, конструкции опорных закреплений, общей компоновки объекта. Сжатые элементы должны быть не только прочны, но и устойчивы. Поэтому поперечные сечения сжатых элементов должны обладать, возможно, большей жесткостью по всем направлениям.

Рисунок 5 – Поперечные сечения сжатых элементов

При небольших продольных усилиях применяют стойки, имею­щие сечение уголка (см. рисунок 5, а), однако они обладают малой жест­костью и применяются преимущественно в коротких элементах. Сечения, представленные на рисунке 5(б, в), рациональны с точки зрения жесткости, но неудобны для окраски и связаны с большим количеством сварочных работ. Наиболее распространено сечение, изображенное на рисунке 5 (г). Уголки по длине элемента соединяют между собой прокладками, о чем будет сказано ниже. Для стоек под легкие нагрузки целесообразны трубчатые гнутые профили (см. рисунок 5, в, и, к)из стали толщиной от 1 до 6 мм, сваренные дуговой или контактной точечной сваркой.

Для изготовления стоек, работающих при продольных усили­ях до нескольких сотен килоньютон, применяют Н – образные профили (см. рисунок 5, д), которые вомно­гих случаях наиболее рациональны. Открытые швеллерные (см. рисунок 5, ж, з)профили применяют, чтобы при наименьшей площади получить значи­тельный момент инерции, трубчатые профили (см. рисунок 5, е, и, к) иногда ис­пользуют в станинах.

Рациональные конструкции стоек, работающих при продольных усилиях, составляющих тысячи килоньютон (см. рисунок 5, л, н). Закрытые сечения (см. рисунок 5, о, п) вы­годно применять в конструкциях различного рода рам и станин. В сжатых элементах иногда применяют цельнотянутые и свар­ные трубы.

Примерами стоек являются колонны промышленных зданий. Типовая колонна среднего ряда в соответствии с рисунком 6. При различных размерах поперечных сечений такие колонны применя­ют в зданиях с пролетами 24, 30 и 36 м при разных нагрузках на кровлю и соответственно различных давлениях на фермы. Основ­ной тип профиля колонны в верхней части – сварной двутавр. В нижней части колонна состоит из двух двутавров, соединенных диагональными связями – гнутыми уголками мелких калибров и диафрагмами. Колонны поддерживают стропильные фермы и под­крановые балки, на которые устанавливают рельсы.

В качестве стоек работают также мачты, поддерживающие линий электропередачи, и антенные устройства. Часто эти конструкции, состоят из верти­кальных поясов, соединенных между собой связями. Негабарит­ные конструкции изготовляют на заводах в форме блоков. Эти конструкции транспортируют на место монтажа, где соединяют свар­ными швами или высокопрочны­ми болтами. Пояса стоек и их связи изготовляют из элементов уголкового профиля или из тонкостенных труб. Трубы соединяются либо непосредствен­но, либо при сплющивании кон­цов. В металлических конструк­циях, поддерживающих антенные устройства, важно точное соблю­дение заданных габаритных раз­меров. Необходимо обеспечить жесткость конструкции и довести до минимума влияние таких форм внешних нагружений, как изменение окружающей темпера­туры и импульсы от ветровой нагрузки.

Рисунок 6 – Сварная колонна промышленного здания

Колонны могут быть сплошные (см. рисунок 7, а, б) и сквозные(см. рисунок 7, в). Колонны цехов воспринимают нагрузку от кровли и от крано­вого моста в местах расположения опор подкрановых балок. Резкое увеличение нормальной силы и изгибающего момента в этом сечении нередко приводит к необходимости использования ступенчатых колонн (см. рисунок 7, б, в ). Нижняя часть колонн имеет опорную плиту, передающую нагрузку на бетонный фундамент.

Рисунок 7 – Примеры колонн постоянного и переменного сечения

Для обеспечения устойчивости и распределения нагрузки, к стойке приваривают базы и ребра жесткости (рисунок 8). База сконструирована в форме плиты, к которой стойка приваривается тавровым соединением. Плита опирается на фун­дамент и крепится к нему четырьмя болтами. Для равномерного распределения давления под плитой ее делают жесткой. Для этого использо­ваны шесть ребер жесткости, установленных в плоскостях стенки и поясов стойки. Вертикаль­ные швы нагружены слабо. Они воспринимают лишь фиктивную поперечную силу, которая, как правило, мала. Нижние швы 2 в тавровом соеди­нении передают часть нагрузки Р со стойки на плиту, в то время как другая часть нагрузки пе­редается через плоскость соприкосновения стой­ки с плитой. Вследствие изгиба плиты все швы, лежащие на горизонтальной плоскости, испыты­вают напряжения от поперечной силы, точное определение которой представляет трудности. Оголовок оформлен в виде верхней плиты с ребрами жест­кости. Верхние швы 3 в тавровом соединении передают силу Р с плиты на стойку аналогично швам 2.

Рисунок 8 – База и оголовка стойки

Для изготовления элементов каркаса строительной конструкции применяют швеллеры различной конфигурации, тавры и двутавры, а так же уголки. По способу производства они подразделяются на:

- сварные, их собирают из отдельных частей сваренных друг с другом. Например двутавровые балки состоят из трех основных элементов, стенки и двух полок. Существуют специальные сварочные кондукторы которые позволяют серийно производить балки с необходимой точностью;

- горячекатаные (прокатные) – при таком способе изделия производят путем, нагрева листовой стали до пластичного состояния и пропуска через валки, которые постепенно придают металлу необходимую форму;

- гнутые изделия изготавливают на специальных гибочных станках. Изделия, произведенные таким способом считаются облегченными.