Сортамент металлических конструкций и выбор стали

В строительных конструкциях применяют в основном прокатную сталь, поставляемую с металлургических заводов в виде профилей различной формы поперечного сечения. Для стальных конструкций используют листовую и профильную сталь. Профильную сталь под­разделяют на сортовую (круг, квадрат, полоса, уголки) и фасонную (двутавры, швеллеры и другие фасонные профили). Кроме того, ши­роко применяют вторичные профили: сварные, получаемые сваркой полос или листов, и гнутые, образованные холодной гибкой полос и листов (рис. 2.28).

Каталог поставляемых профилей с указанием их формы, разме­ров, геометрических характеристик и массы называют сортаментом и оформляют в виде государственных стандартов (ГОСТов) или тех­нических условий (ТУ). Форма профилей сортамента должна отве­чать ряду требований: простоте и технологичности изготовления, универсальности и удобству при компоновке сечений, рационально­му распределению материала по сечению. Металлоемкость конст­рукций в большой степени зависит от градации сортамента. Чем ча­ще градации размеров одного вида профилей, тем ближе сечение элемента к требуемому по расчету, т.е. экономичнее. С другой сто-. роны, при чрезмерном разнообразии типоразмеров профилей за­трудняется комплектация заказа (поставка металла малыми партия­ми дороже), увеличивается площадь складских помещений на заво­дах металлоконструкций. Осложняется и работа металлургических предприятий, поскольку частая переналадка прокатных станов тре­бует времени и дополнительных затрат. Очевидно, оптимальное ре­шение этой задачи должно основываться на разумном сочетании этих противоречивых факторов.

Современный сортамент разработан в результате многолетнего развития металлических конструкций и теоретических исследований по выявлению рациональных типов профилей и частоты их града­ции.

Наиболее дешевы прокатные профили. Они непосредственно с металлургического завода идут на изготовление металлоконструкций. Для образования сварных и гнутых профилей требуется дополни тельная операция — изготовление профиля из прокатного листа. Тем не менее в последние годы в связи с высокой стоимостью проката при заказе металла малыми партиями многие предприятия по изго­товлению металлических конструкций для уменьшения расхода ста­ли оборудуют у себя участки для изготовления гнутых профилей мелкими партиями, по собственным каталогам.

Сталь листовая

Листовую сталь широко применяют в строительстве. Ее класси­фицируют следующим образом.

Сталь толстолистовая (ГОСТ 19903—74). Сортамент этой стали включает листы толщиной от 4 до 160 мм, шириной от 600 до 3800 мм. Обычно применяемая ширина не превышает 2400 мм. Листовая горячекатаная сталь поставляется в листах длиной 6... 12 м и толщиной до 160 мм или в рулонах толщиной от 1,2 до 12 мм и шириной от 500 до 2200 мм. В строительных конст­рукциях рекомендуется применять следующие толщины листо­вой стали: от 4 до 6 мм - через 1 мм, от 6 до 22 мм - через 2 мм и далее 25, 28, 30, 32, 36, 40, 50, 60, 80, 100 мм. Толстолистовую сталь используют в листовых конструкциях и сплошностенчатых элементах стержневых конструкций (балках, колоннах).

Сталь тонколистовая толщиной до 4 мм прокатывается холод­ным и горячим способами. Холоднокатаная сталь (ГОСТ 19904— 74 с изм.) значительно дороже горячекатаной (ГОСТ 19903—74 с изм.). Тонкую листовую сталь применяют при изготовлении гнутых и штампованных тонкостенных профилей, для кровель­ных покрытий и т.п. Из холоднокатаной, оцинкованной, руло-нированной стали изготовляют профилированные настилы.

Сталь широкополосная универсальная (ГОСТ 8200—70) благодаря прокату между четырьмя валками имеет ровные края. Толщина такой стали от 6'до 60 мм, ширина от 200 до 1050 мм и длина от 5 до 12 м. Применение универсальной стали уменьшает отходы и снижает трудоемкость изготовления конструкций, так как не требует резки и выравнивания кромок строжкой.

Сталь полосовая (ГОСТ 103—76 с изм.) имеет толщину от 4 до 60 мм при ширине до 200 мм. Ее применяют для конструктив­ных деталей типа диафрагм и ребер жесткости, а также для из­готовления гнутых профилей.

• Рифленая сталь (ГОСТ 8568-77) толщиной от 2,5 до 8 мм с ромбическими или чечевицеобразными выступами, препятствующими скольжению при ходьбе, используется для настилов площадок. • Для площадок, где возможно скопление пыли, применяют про­сечно-вытяжную сталь (ГОСТ 8706—78) толщиной от 4,5 до 6 мм, получаемую холодной вытяжкой листа с предварительно нанесенными разрезами.

Уголковые профили

Уголковые профили прокатывают в виде равнополочных (ГОСТ 8509-93) и неравнополочных (ГОСТ 8510-86) уголков (рис. 2.28, б). Сортамент уголков весьма обширен: от очень малых профилей с площадью сечения 1…1,5 см² до мощных профилей с площадью се­чения 140 см². Полки уголков имеют параллельные грани, что об­легчает конструирование. Тонкие уголки рациональны в элементах, работающих на осевое сжатие. Чем тоньше полки уголков, тем
больше (при одинаковой площади сечения) радиус инерции i, от которого зависит несущая способность элемента.

Для растянутых элементов толщина уголков с точки зрения их несущей способности не имеет значения, но и в этом случае тонкие уголки предпочтительнее, поскольку более развитое сечение имеет большую жесткость и удобнее при транспортировке и монтаже. Ес­ли же полки уголков подвергаются изгибу, например при опирании на них плит перекрытий, то применяют толстые уголки. Уголки на­шли широкое применение в решетчатых конструкциях, прежде всего в фермах. Сечения элементов решетчатых конструкций компо­нуют часто из двух или четырех уголков (рис. 2.29).

Швеллеры

Геометрические характеристики сечения швеллеров (см. рис. 2.28, в) определяют по номерам, которые соответствуют высоте стенки швеллера (в см). Сортамент (ГОСТ 8240—93) включает швел­леры от №5 до №40 с уклоном внутренних граней полок. Уклон внутренних граней полок затрудняет конструирование. В ГОСТ вхо­дят и швеллеры с параллельными гранями полок с буквой П в обо­значении, например 22П, сечения которых имеют лучшие расчет­ные характеристики и более конструктивны, так как упрощают бол­товые крепления к полкам.

Швеллеры используют в элементах, работающих на изгиб, на­пример в прогонах покрытий зданий. В конструкциях, работающих на осевые силы, швеллеры применяют в основном в виде составных решеткой, например в колон­нах и поясах тяжелых ферм (рис. 2.29). Возможно применение швеллеров для коробчатых сечений со сваркой полок сплошными швами. Использование прерывистых шпоночных швов весьма про­блематично, поскольку помимо повышенной концентрации напря­жений в концах шпонок в таком сечении внутренняя полость не герметизирована, что может способствовать развитию коррозии.

Двутавры

Двутавр - наиболее рациональный профиль для элементов, рабо­тающих на изгиб, поскольку он имеет по сравнению с другими про­филями наибольший удельный момент сопротивления

В зависимости от геометрических параметров металлургическими заводами выпускаются несколько типов двутавров, которым соответ­ствуют определенные области применения.

• Балки двутавровые обыкновенные (ГОСТ 8239—89), так же как и швеллеры, имеют уклон внутренних граней полок и обознача­ются номером, соответствующим их высоте в см (см. рис. 2.28, д). В сортамент входят профили от №10 до №60. Стенки круп­ных двутавров имеют толщину, составляющую '/55 высоты дву­тавра. Чем тоньше стенка, тем выгоднее сечение балки при ра­боте ее на изгиб. Однако по условиям технологии прокатки у большинства двутавров стенки получаются значительно толще, чем это требуется по условию их устойчивости. Благодаря со­средоточению материала в полках двутавры имеют большую же­сткость относительно оси х, но небольшая ширина полок делает их недостаточно устойчивыми относительно оси у. Обыкновен­ные двутавры применяют в элементах, изгибаемых в плоскости стенки, а также в ветвях решетчатых колонн и различных опор.

Для обеспечения устойчивости относительно оси у эти двутавры должны иметь промежуточные закрепления. • Балки двутавровые широкополочные (ГОСТ 26020-83, СТО АСЧМ 20-93) имеют параллельные грани полок (см. рис. 2.28, е). Широкополочные двутавры прокатывают трех типов: нор­мальные двутавры (Б), широкополочные двутавры (Ш), колон­ные двутавры (К). Высота балочных профилей (Б) и (Ш) дос­тигает 1000 мм при отношении ширины полок к высоте от b/h=0,75 (при малых высотах) до b/h=0,3 (при больших высо­тах). Колонные профили (К) имеют отношение ширины полок к высоте, близкое к единице, что придает им устойчивость от­носительно оси у. Благодаря большей ширине полок широко­полочные двутавры имеют большую жесткость относительно оси у и могут применяться в конструкциях без дополнительных закреплений.

Конструктивные преимущества (параллельность граней полок и мощность сечений) позволяют применять широкополочные двутав­ры в виде самостоятельного элемента (балки, колонны, стержни тя­желых ферм), не требующего почти никакой обработки, что снижает трудоемкость изготовления конструкций в 2...3 раза.

Из широкополочных двутавров путем разрезки полки в продоль­ном направлении получают тавровые профили (см. рис.2.28, ж), удобные для применения в решетчатых конструкциях. По мере рас­ширения производства широкополочных двутавров применение обыкновенных двутавров сокращается.

Использование автоматической сварки позволяет изготовлять тонкостенные двутавры из листового проката с более выгодным рас­пределением материала по сечению (см. рис. 2.28, и). Сварные дву­тавры имеют свой сортамент.

Для путей подвесных кранов и тельферов применяют специаль­ные двутавры 24М, 30М, 36М, 45М. Для предотвращения отгиба полок под воздействием значительных сосредоточенных давлений от катков крана толщину полок двутавров с индексом М делают боль­ше, чем у обычных.

Трубы

В трубах материал распределен на "максимальном удалении от центра тяжести, поэтому из всех типов сечения трубчатое имеет наибольший удельный радиус инерции /=//л/л\ Наиболее рацио­нально применение труб в элементах, работающих на осевое сжатие. Расход стали при этом снижается на 20...25%, что покрывает повы шение стоимости самих труб. Кроме того, обтекаемость трубчатого сечения позволяет уменьшить ветровую нагрузку на такие сооруже­ния, как мачты и башни. Высокая коррозионная стойкость труб де­лает сооружения, выполненные из них, более долговечными.

Для строительных металлических конструкций применяют трубы круглого, квадратного и прямоугольного сечений (см. рис. 2 28, к, л). Круглые трубы бывают горячекатаные (ГОСТ 8732—78 с изм.) и электросварные (ГОСТ 10704-91). Горячекатаные круглые трубы наружным диаметром от 25 до 550 мм и толщиной стенки /=2,5...75 мм имеют высокую стоимость. Их применяют для трубопроводов, в радио- и телебашнях, а также в других специальных сооружениях. Для решетчатых стальных конструкций используют в основном электросварные круглые трубы диаметром от 25 мм и выше с тол­щиной стенки не менее 2,5 мм.

Квадратные и прямоугольные трубы изготовляют на профилеги-бочном стане с последующей заваркой замыкающего шва в потоке стана. Другая технология предусматривает изготовление из рулонной стали электросварной трубы круглого сечения, которой затем при­дают прямоугольный профиль. Квадратные и прямоугольные трубы поставляют по ГОСТ 25577-83 с изм., а также по различным техни­ческим условиям отдельных заводов. Сортамент предусматривает профили квадратного сечения размером от 80 до 180 мм и прямо­угольного сечения размером от 60 х 100 до 100x230 мм с толщиной профилей от 3 до 8 мм. Эти трубы применяют в стропильных конст­рукциях под легкую кровлю, в фахверках стен, в переплетах, витра­жах и т.п.

Холодногнутые профили

Гнутые профили изготовляют из листа или полосы толщиной от 1 до 8 мм. По индивидуальным заказам и техническим условиям ме­таллургических заводов можно получить гнутые профили самой раз­нообразной формы (рис. 2.30). Наиболее употребительны равнопо-лочные и неравнополочные уголки, швеллеры, С-образные, Z-образные. Основная область применения - легкие конструкции по­крытий зданий, где они, заменяя прокатные профили, могут дать экономию металла до 10%. Особенностью холодногнутых профилей является тонкостенность сечений, поэтому потеря местной устойчи­вости стенок или полок может произойти раньше общей потери ус­тойчивости. Это предопределяет область рационального примене­ния элементов из гнутых профилей: слабо нагруженные длинные стержни связей, элементов фахверка, раскосы легких ферм и другие элементы, сечение которых подбирается по предельной гибкости повышения местной устойчивости в полках гнутых профилей устраивают отгибы.

Профилированный настил

Одним из видов гнутых профилей является профилированный настил, изготовляемый на специальных станах. Такой настил нашел широкое применение для площадок кровель и стеновых ограждений.

Профилированные листы различают по высоте и форме гофра. Для изготовления профилированного настила применяют листы толщиной от 0,6 до 1 мм. В зависимости от требуемой жесткости высота волны h составляет от 18 до 120 мм (см. табл. 8.5). Для обес­печения местной устойчивости полок и стенок профнастила устраи­вают продольные гофры.

Для обеспечения коррозионной стойкости профнастил изготов­ляют из оцинкованной стали. Профилированный настил поставляют по ГОСТ 24045-94 и техническим условиям отдельных заводов. При необходимости настил могут поставлять по индивидуальным зака­зам.

Наиболее распространенные типы настила для покрытий Н57-750-0,7 и Н75-750-0,8. Здесь первая цифра обозначает высоту волны, вторая — ширину настила, третья - толщину листа.

Различные профили и материалы, применяемые в строительных металлических конструкциях

Кроме указанных выше для строительных металлических конст­рукций применяют также другие профили и изделия: профили для фонарных и оконных переплетов (ГОСТ 7511—73), рельсы (ГОСТ 4121—76 с изм.), арматурные стержни, стальные канаты и высоко-' прочную проволоку для висячих и предварительно напряженных конструкций.

Выбор стали производят на основе вариантного проектирования и технико-экономического анализа с учетом требований норм. В целях упрощения заказа металла при выборе стали следует стремить­ся к большей унификации конструкций, сокращению количества сталей и профилей. Выбор стали зависит от следующих факторов, влияющих на работу материала:

- температуры среды, в которой монтируется и эксплуатируется конструкция; этот фактор учитывает повышенную опасность хруп­кого разрушения при пониженных температурах;

- характера нагружения, определяющего особенность работы ма­териала и конструкций при динамической, вибрационной и пере­менной нагрузках;

- вида напряженного состояния (одноосное сжатие или растяжение плоское или объемное напряженное состояние) и уровня воз­никающих напряжений (сильно или слабо нагруженные элементы);

- способа соединения элементов, определяющего уровень собст­венных напряжений, степень концентрации напряжений и свойства материала в зоне соединения;

- толщины проката, применяемого в элементах. Этот фактор учитывает изменение свойств стали с увеличением толщины.

При выборе стали необходимо учитывать группу конструкций. С этим понятием вы уже сталкивались в гл. 1 (см.п. 1.5.4), здесь мы вернемся к нему с позиций работы стали и дадим более детальную классификацию.

К первой группе относят сварные конструкции, работающие в особо тяжелых условиях или подвергающиеся непосредственному воздействию динамических, вибрационных или подвижных нагрузок (например, подкрановые балки, балки рабочих площадок или эле­менты эстакад, непосредственно воспринимающих нагрузку от под­вижных составов, фасонки ферм и т.д.). Напряженное состояние таких конструкций характеризуется высоким уровнем и большой частотой нагружения.

Конструкции первой группы работают в наиболее сложных усло­виях, способствующих возможности их хрупкого или усталостного разрушения, поэтому к свойствам сталей для этих конструкций предъявляются наиболее высокие требования.

К второй группе относят сварные конструкции, работающие на статическую нагрузку при воздействии одноосного и однозначного двухосного поля растягивающих напряжений (например, фермы, ригели рам, балки перекрытий и другие растянутые, растянуто-изгибаемые и изгибаемые элементы), а также конструкции второй группы при отсутствии сварных соединений.

Общим для конструкций этой группы является повышенная опасность хрупкого разрушения, связанная с наличием поля растяги­вающих напряжений. Вероятность усталостного разрушения здесь меньше, чем для конструкций первой группы.

К третьей группе относят сварные конструкции, работающие при преимущественном воздействии сжимающих напряжений (например, колонны, стойки, опоры под оборудование и другие сжа­тые и сжато-изгибаемые элементы), а также конструкции второй группы при отсутствии сварных соединений.

В четвертую группу включены вспомогательные конструкции иэлементы (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 важным является оценка сопротивления стали динамическим воздействиям и хрупкому раз­рушению.

В материалах для сварных конструкций обязательно следует оце­нивать свариваемость. Требования к элементам конструкций, не имеющим сварных соединений, могут быть снижены, так как отсут­ствие полей сварочных напряжений, более низкая концентрация на­пряжений и другие факторы улучшают их работу.

В пределах каждой группы конструкций в зависимости от темпе­ратуры эксплуатации к сталям предъявляют требования по ударной вязкости при различных температурах.

В нормах содержится перечень сталей в зависимости от группы конструкций и климатического района строительства.

Окончательный выбор стали в пределах каждой группы должен выполняться на основании сравнения технико-экономических пока­зателей (расхода стали и стоимости конструкций), а также с учетом заказа металла и технологических возможностей завода-изготовителя. В составных конструкциях (например, составных бал­ках, фермах и т.п.) экономически целесообразно применение двух сталей - более высокой прочности для сильно нагруженных элемен­тов (пояса ферм, балок) и меньшей прочности для слабо нагружен­ных элементов (решетка ферм, стенки балок).

Приведенный подход к выбору сталей используют для конструк­ций массового применения. Для особо ответственных уникальных сооружений с высокой степенью обеспеченности надежности (атомные реакторы АЭС, сосуды давления, газгольдеры и резервуары большого объема) требования к качеству, а следовательно, и к выбо­ру стали могут быть значительно более жесткими.

Date: 2015-09-19; view: 11518; Нарушение авторских прав