Наука о металлических конструкциях.

Наука о металлических конструкциях.

Понятие МК объединяет в себе конструктивную форму, технологию изготовления и способ монтажа.

Первый период применение металла в уникальных по тому времени сооружениях (дворцах, церквах и т.п.) в виде затяжек и скреп для каменной кладки.

Второй период применение наклонных металлических стропил и пространственных купольных конструкций («корзинок») глав церквей.

Третий период освоение процесса литья чугунных стержней и деталей.

Четвертый период быстрое развитие технического прогресса во всех областях техники.

Пятый период развитие металлургии, образование мощной строительной отрасли

 

Конструктивная форма металлических конструкций зданий и сооружений.

Конструктивная форма: листовые конструкции (сосуды высокого давления, резервуары, бункеры, трубопроводы, силосы и т.д.), стержневые конструкции (каркасные зд, большепролетные, опоры, мосты, эстакады, мачты, башни)

 

Область применения, достоинства и недостатки металлических конструкций.

Металлические конструкции применяются сегодня во всех видах зданий и инженерных сооружений, особенно если необходимы значительные пролеты, высота и нагрузки.

Применение металлических конструкций по виду конструктивной формы и назначению можно разбить на восемь областей: промышленные здания; большепролетные покрытия зданий; мосты, эстакады; листовые конструкции; башни и мачты; каркасы многоэтажных зданий; крановые и другие подвижные конструкции; прочие конструкции.

Достоинства: надёжность, лёгкость, непроницаемость.

Недостатки: коррозия, небольшая огнестойкость.

 

Принципы проектирования металлических конструкций.

Основной принцип проектирования МК: достижение оптимального соотношения 3 главных показателей: экономии стали, повышения производительности труда при изготовлений, снижение трудоемкости и сроков монтажа (условия эксплуатации, транспортабельность, технологичность, экономии стали, скоростной монтаж, долговечность, эстетичность).

Проектирование выполняется в две стадии: проектное задание и рабочие чертежи.

В проектном задании проектирования обосновывается целесообразность применения металлических конструкций, определяется основная конструктивная схема сооружения и подбираются соответствующие типовые конструкции.

Рабочий проект металлических конструкций состоит из двух частей: КМ (конструкции металлические) и КМД (конструкции металлические, деталировка).

По чертежам КМ заказывается металл и разрабатываются деталировочные чертежи КМД.

Проект КМД разрабатывается, как правило, в конструкторском бюро завода металлических конструкций на основе проекта КМ с учетом технологических особенностей завода (станки, поточные линии, сварочное оборудование).

 

Стали, применяемые в металлических конструкциях.

Качество стали, применяемой при изготовлении металлических конструкций, определяется её механическими свойствами: сопротивлением статическим воздействиям; сопротивлением динамическим воздействиям и хрупкому разрушению; показателями пластичности; сопротивлением расслоению. Кроме того качество стали определяется её свариваемостью, которая гарантируется соответствующим химическим составом стали и технологией ее производства.

По прочности стали делятся на три группы: малоуглеродистые стали обычной прочности, стали повышенной прочности, стали высокой прочности.

 

Структура малоуглеродистых сталей.

Структура малоуглеродистой стали, определяющая ее механические свойства, зависит от температуры.

Малоуглеродистая сталь представляет собой однородное кристаллическое тело, состоящее из мелких кристаллов феррита, образующих зерна (Fe — чистое железо), и перлита (смесь цементита Fe₃C с ферритом), расположенного главным образом по стыкам ферритных зерен и образующего как бы «сетку» или вкрапления между зернами.

При пластических деформациях малоуглеродистых сталей на растянутых образцах заметно появление характерных линий, называемых линиями, направленных под углом 45° к линии действия растягивающих сил.

 

 

Явление хрупкости в сталях.

Хрупкость – способность разрушаться при малых деформациях

К условиям, способствующим появлению хрупкости, относятся явления, вызывающие наклеп, старение, неравномерность в распределении напряжений, а также различные температурные изменения. Хрупкое состояние материала часто способствует появлению трещин и приводит к разрушению конструкции.

НаклепЕсли сталь подвергнуть растяжению до пластического состояния и затем разгрузить, то появится остаточная деформация.

Усталость металла

Усталостью металла называется явление разрушения его под действием многократно повторенной переменной нагрузки при значениях напряжений ниже предела прочности (например, разрушение проволоки при многократных перегибах).

И т.д.

 

Старение стали.

При благоприятных обстоятельствах углерод выделяется и располагается между зернами феррита, а также группируется у различных дефектов кристаллической решетки. Это приводит к повышению предела текучести и временного сопротивления и уменьшению пластичности и сопротивления хрупкому разрушению. Наряду с углеродом выделяются азот и карбиды других элементов, которые производят аналогичное действие. Эта перестройка структуры и изменение прочности и пластичности происходят в течение достаточно длительного времени, поэтому такое явление называется старением.

Старению способствуют: а) развитие деформаций; б) физико-химическое старение, температурные колебания. Невысоким нагревом можно резко усилить процесс старения.

При пластическом деформировании и последующем небольшом нагреве интенсивность старения резко повышается. Поскольку старение понижает сопротивление динамическим воздействиям и хрупкому разрушению, оно рассматривается как явление отрицательное. Наиболее подвержены старению стали, загрязненные и насыщенные газами.

 

Классификация ферм.

1) По характеру очертания: с параллельными поясами (рис. 1, а); с параболическим очертанием верхнего пояса (рис. 1, б); фермы треугольного очертания (рис. 1, в).

 

2) По типу решетки: - фермы с треугольной решеткой (рис. 2, а); фермы с раскосной решеткой (рис. 2, б); фермы с полураскосной решеткой (рис. 2, в); фермы с ромбической решеткой (рис. 2, г); двухрешетчатые (рис. 2, д);многорешетчатые (рис. 2, е).

 

 

3) По типу опирания:балочные (рис. 3, а); консольные (рис. 3, б);

балочно-консольные (рис. 3, в); арочные (рис. 3, г).

 

 

4) В зависимости от назначения: стропильные (рис. 4, а); крановые (рис. 4, б); башенные (рис. 4, в); мостовые (рис. 4, г).

 

5) По методу расчета: статически определимые; статически неопределимые.

Системы решеток ферм.

Основными элементами решетки являются раскосы (наклонные к оси фермы элементы), стойки (перпендикулярные к оси сжатые элементы), подвески (перпендикулярные к оси растянутые элементы). Для компактности узлов угол между раскосами и поясом должен быть 30¸50°.

Наиболее выгодна треугольная система решетки, она наиболее коротким путем передает нагрузку на опоры. Но при этом очень велико расстояние между местами приложения нагрузки, что приводит к утяжелению надферменных конструкций.

Раскосная решетка позволяет регулировать знак усилия в ее элементах направлением раскосов. В фермах с параллельными поясами и близких к ним при равномерной нагрузке, действующей сверху вниз, длинные раскосы следует делать растянутыми (нисходящими к центру фермы), короткие стойки при этом сжаты.

 

Крестовая решетка применяется при переменном направлении основной нагрузки, воспринимаемой фер­мой, и небольших усилиях в решетке. Такой обычно является нагрузка от ветра. Применяется эта решетка в связевых фермах у торцов зданий и в вертикальных консолях.

1.

б

Ромбическая решетка. Однако следует отметить, что ромб не является геометрически неизменяемой фигурой, и поэтому хотя бы в одном ромбе должна быть связь по его диагонали.

Полураскосная решетка Ромбическая и полураскосная решетки позволяют сократить расчетные длины элементов фермы и панель – расстояния между местами передачи нагрузки на ферму.

 

Основы расчета каркаса.

Каркас рассчитывают на прочность и жесткость. При расчете на прочность несущую способность каркаса проверяют на действие постоянных вертикальных нагрузок от веса конструкций, временных вертикальных нагрузок на перекрытиях и горизонтальных сил от ветра (СНИП). Проверка первая состоит в определении отклонения верха каркаса от вертикали (горизонтальный прогиб каркаса) под влияниям горизонтальных сил от действия ветра, вторая заключается в определении перекоса каркаса в отдельных панелях и производится, если жесткость стеновых ограждений не учитывается при расчете каркаса.

 

Статический расчет арки.

Статический расчет арок ведется на два вида загружения; равномерно рас-предеденную линейную нагрузку or веса кровли и собственного веса арки fg) по всему пролету, а также:1ннейную нагрузку от снега (s) на половине пролета, как наиболее невыгодную. поскольку опасное сечение расположено на 1/4 длины арки.

Расчет начинается с определения опорных реакций Мд. Далее вычисляюд- изгибающие мохтенты М, продольные Лд. и поперечные силы по длине арки в рассматриваемых сечениях с координатами X, у.

Картину напряженного состояния арки дают эпюры М, N и О, построенные по всей ее длине.

Приближенные формулы для определения моментов М в середине и четвертях пролета приведены в и др.

Л,„ = N/2-M/h

Все усилия от постояниой и снеговой нагрузок представляют в виде соответствующих эпюр, векторы которых суммируют, определяя самое невыгодное их сочетание.

Для конструктивного расчета арок сплошного сечения достаточно знания М, N п Qb характерных точках арки (на опорах, в середине и четвертях пролета).

В принципиальном отношении расчет арки не отличается от расчета других статически определимых систем: вначале определяются опорные реакции, затем строятся эпюры изгибающего момента, продольного и перерезывающего усилия, после чего выполняются проверки и, при необходимости, определяются перемещения. Единственная особенность, с которой приходится сталкиваться, - появление чисто вычислительных трудностей, связанных с криволинейностью очертания оси арки. Как в любой статически определимой системе, реакции в опорах трехшарнирной арки находятся исключительно из статических уравнений (уравнений равновесия).

Особенности расчета арок.

В соответствии со статической схемой, различают бесшарнирные, двухшарнирные и трехшарнирные арки;

Также опорные конца арки можно соединить горизонтально расположенным стержнем, воспринимающим горизонтальную нагрузку и называемым затяжкой. Расчет арки с затяжкой несколько отличается от расчета двухшарнирной арки или трехшарнирной арки без затяжки.

Для каждого из этих типов характерны свои достоинства и недостатки, в связи с чем, выбор конструкции осуществляется инженером-проектировщиком, который осуществит расчет трехшарнирной арки с учетом прочностных требований, предъявляемых к ней, материалов, используемых для ее конструирования, и архитектурных задач, которые возлагаются на ту или иную конструкцию.

В соответствии со схемой опирания, выделяют арки с затяжкой и арки без затяжки. Если первые воспринимают распор, то распор последних передается на опоры. Изготовление затяжки осуществляют из профильной стали или арматуры. Если эксплуатация арки будет осуществляться в условиях агрессивных сред, способствующих коррозии металла, допускается использование деревянных клееных затяжек.

В зависимости от назначения

Магистральные трубопроводы; Трубопроводы специального назначения;

Прочие

Пневматическая почта; Канализация; Водосток (дренаж); Водовыпуск

Самые распространенные металлы для производства труб – это: • Сталь; • Чугун.

 

 

Наука о металлических конструкциях.

Понятие МК объединяет в себе конструктивную форму, технологию изготовления и способ монтажа.

Первый период применение металла в уникальных по тому времени сооружениях (дворцах, церквах и т.п.) в виде затяжек и скреп для каменной кладки.

Второй период применение наклонных металлических стропил и пространственных купольных конструкций («корзинок») глав церквей.

Третий период освоение процесса литья чугунных стержней и деталей.

Четвертый период быстрое развитие технического прогресса во всех областях техники.

Пятый период развитие металлургии, образование мощной строительной отрасли