Реклама
Реклама
Реклама


Легкие металлические конструкции зданий и сооружений

Легкие металлические конструкции зданий и сооруженийЛегкие металлические конструкции зданий и сооружений.

Глава 1. Легкие металлические конструкции комплектных поставок.

Под легкими металлическими конструкциями комплектных поставок (ЛМК) подразумеваются здания сравнительно небольших пролетов, в которых ограж дения выполнены с использованием тонколистового профилированного метал ла и облегченного синтетического утеплителя. Эти мероприятия наряду с использованием в каркасе зданий эффективных профилей из стали повышен ной прочности позволили снизить расход металла в 1,5 2 раза, а общую массу здания в 3 4 раза по сравнению с традиционными конструкциями, что способ ствовало снижению общих трудозатрат в 1,3 1,5 раза [1.

Характерным для этих конструкций является их комплектная поставка на строительную площадку, т. е. поставляются как несущие, так и огражда ющие конструкции и в ряде случаев технологическое оборудование, что позволяет сооружение здания сдавать заказчику под ключ . Наиболее широкое применение эти конструкции нашли для строительства производ ственных корпусов объектов машиностроения, радио и электронной про мышленности, предприятий переработки и других схожих отраслей про мышленности. В последующие годы ЛМК нашли широкое применение и для строительства объектов гражданского назначения.

Таким образом, значительно сокращается материалоемкость при приме нении ЛМК в строительстве. При незначительном (от 1,01 до 1,4 раза) повышения потребности металла снижается расход бетона в 2,3 3,1 раза, цемента в 2,6 4,0 раза, леса в 5,8 11 раз, кирпича 3,4 5,4 раза, а нерудных материалов в 2,5 3,1 раза.

во-вторых, на 35 30% снижение трудоемкости изготовления ЛМК по сравнению с традиционными металлоконструкциями, что достигается благо даря: внедрению на всех заводах технологических поточно-механизированных в автоматизированных линий; снижению в 1,5 2 раза общего объема перерабатываемого металла на единицу площади (по сравнению с обычными металлоконструкциями); унификации конструкций, позволяющей снизить трудоемкость на операциях сборо-сварки (в сравнении с традиционными металлоконструкциями.

в-третьих, снижение стоимости транспортирования ЛМК на место строительства, а также транспортабельность, позволяющая в контейнерах их доставлять в отдаленные районы страны. Подсчитано, что затраты на транспортирование продукции с заводов сборного железобетона превышают аналогичные затраты на стальные конструкции в 8 раз.

в-четвертых, главный фактор значительное снижение продолжитель ности строительства объектов. Сокращение сроков строительства обес печивается благодаря: резкому сокращению общих физических объемов строительно-монтажных работ; высокой заводской готовности, включая со единение монтажных узлов, декоративно-защитную окраску всех конст рукций, позволяющей обеспечить быструю сборку зданий при минимальных затратах труда непосредственно на строительной площадке; выполнению строительно-монтажных работ в любое время года в результате применения ЛМК для ограждающих и встроенных конструкций.

Глава 2. Методика экспериментальных исследований.

Экспериментальные исследования проводятся с целью.

- изучения работы сложной по конфигурации, размещению опор, количеству элементов, а также силовому воздействию натурной конст рукции.

- оценки новых методов расчета.

- оценки прочности узловых сопряжений.

- изучения несущей способности системы в целом и ее отдельных эле ментов.

Как известно, в практике строительства часто встречаются весьма слож ные в статическом отношении конструкции, достоверность расчета которых даже с применением ЭВМ в ряде случаев нуждается в экспериментальной проверке.

Для получения надежных экспериментальных данных модель должна проектироваться не только с соблюдением законов подобия, но и таким образом, чтобы в ней нашли отражение основные особенности натурной конструкции и силового на нее воздействия. Для проверки новых методов расчета модель может не отвечать точному подобию тех или иных натурных конструкций. Но модели должны повторять основные параметры структур. Так, например, иметь реальные отношения пролета к высоте, отношения площади поперечного сечения пояса к раскосам, характер опирания и пр.

Модели этого типа должны проектироваться таким образом, чтобы они в большей мере отвечали принятой расчетной схеме, метод расчета которой проверяется экспериментом.

Подобные модели при экспериментировании снабжаются большим количеством измерительной аппаратуры и в ряде случаев призваны оценить достоверность новых наиболее современных методов расчета, например, с учетом развития пластических деформаций, закритической стадией работы отдельных стержней и пр.

В этом случае применение низкомодульных материалов, подобных например полистиролу не допустимо. Рекомендуется изготавливать модель из того же материала, что и натурная конструкция.

Испытания моделей показали, что после перехода отдельных сжатых стержней в запредельную область работы, до определенной внешней нагрузки нелинейный характер работы проявляется весьма незначительно. При дальнейшем возрастании нагрузки увеличивается количество стержней, находящихся в запредельной области работы и нелинейный характер работы конструкции начинает проявляться существенно. При повторении циклов нагружения, когда в первом нагружении материал работал упругопластически, роста деформаций и перемещений не наблюдается. Перед разрушением в конструкции образуется слабая зона, отличающаяся повышенной деформативностью и наибольшим количеством сжатых стержней, находящихся в запредельной области. Вследствии этого разрушение конструкции начинается с этой зоны и в большинстве случаев имеет несимметричный характер. Наступает разрушение при переходе в запредельную область группы стержней, исключение которых из работы превращает ее в механизм.

Глава 3. Ферменные конструкции.

Как известно, в 70-х годах были разработаны конструктивные решения легких ферм пролетами 24 и 30 м. Эти фермы изготавливались из круглых труб, с поясами из широкополочных двутавров и решеткой из прямоуголь ных труб, а также из прямоугольных труб и одиночных уголков. [1] [2.

Характерными особенностями этих ферм являются непосредственное примыкание решетки к поясам и наличие в узлах эксцентриситетов. Иссле дованиями этих конструкций, производимыми к. т. н. Б. Н. Решетниковым и др. [3, 4], показано, что отсутствие фасонок вызывает в поясе добавочные местные напряжения, при этом повышение жесткости узлов способствует увеличению деформативности конструкции.

К наиболее ранним экспериментальным исследованиям, проводимым в ЦНИИСК, относятся исследования к. т. н. Г. Г. Голенко, посвященные фермам из одиночных уголков. Эти исследования позволили внедрить ука занные конструкции в практику строительства и составить инструктивные документы по их расчету. Конструктивными разработками показано, что фермы из одиночных уголков не уступают по массе фермам из парных уголков, примерно на 40% менее трудоемки в изготовлении.

Дальнейшие исследования таких систем проводились под руководством проф. д. т. н. В. А. Балдина к. т. н. Б. Н. Решетниковым, М. И. Гуковой Б. С. Мелкумян; они касались испытаний стропильных и подстропильных ферм из одиночных уголков, которые выполнялись различными методами дуговой точечной сварки. Выявлены характер разрушения, несущая способность и напряженно-деформированное состояние [5.

Под фермами из одиночных уголков подразумеваются плоские фермы покрытия, элементы которых образованы из одиночных прокатных уголков с расположением полок уголков параллельно и перпендикулярно плоскости фермы и с прикреплением уголков решетки к поясам со стороны внутренней плоскости вертикальных полок (стенок) поясных уголков. Целесообразность использования этой конструктивной формы вместо традиционных конст рукций из парных уголков обосновывается более высокой коррозионной стойкостью одноуголковых элементов, имеющих сечения, хорошо доступные для очистки и окраски. Кроме того, трудоемкость изготовления ферм из одиночных уголков существенно (на 30 40%) ниже трудоемкости изготов ления обычных ферм благодаря меньшему числу основных и дополнитель ных деталей. В то же время масса ферм из одиночных уголков, не превышает массы обычных ферм, что объясняется примерно одинаковыми значениями минимального радиуса инерции одноуголкового сечения и заменяемого се чения из парных уголков, а также тем, что центры тяжести сечений элемен тов решетки и поясов в одноуголковых фермах лежат примерно в одной плоскости и, следовательно, элементы фермы при соответствующем закреп лении в узлах работают в условиях, близких к осевому растяжению или сжатию.

Сварные одноуголковые фермы данного типа прошли эксперименталь ную проверку и были применены на ряде объектов. Для их проектирования было разработано специальное руководство [ 1.

Начавшееся развитие в нашей стране легких стальных конструкций зданий комплектной поставки предопределили конструктивные особенности ферм из одиночных уголков второго поколения . Эти фермы разрабаты вались (совместно с Укрниипроектстальконструкцией) как взаимозаменяе мые с типовыми конструкциями из гнуто-сварных профилей прямоугольного сечения типа Молодечно и предназначались для беспрогонных покрытий с применением стального профилированного настила в зданиях пролетами 24 и 30 м, возводимых в I IV снеговых и I IV ветровых районах СССР с расчетными температурами минус 40 С и выше. Конструкции могут приме няться в одно- и многопролетных зданиях без перепадов высот.

Глава 4. Структурные плиты покрытий.

Структурные плиты, применяемые в строительстве, выполняются в основном из стали и алюминия; имеют обычно две поясные сетки, между которыми располагаются в большинстве случаев наклонно идущие раскосы. Известны также структуры из дерева, [2] армоцемента, железобетона. На пряженное состояние структур от действия внешней нагрузки, включая крутящие моменты и возможную просадку опор, существенно зависит от геометрии поясных сеток, которые могут быть подразделены на гео метрически изменяемые, неизменяемые и смешанные, к которым относятся системы с одной изменяемой и второй неизменяемой поясными сетками.

К первым системам относится весьма распространенная в практике строительства система, состоящая из прямоугольных поясных ячеек, кото рая даже при заполнении каждой ячейки раскосами не воспринимает кру тящие моменты. Общая геометрическая неизменяемость таких систем достигается путем постановки лишних опорных связей, придающих системе внешнюю статистическую неопределимость. Так, например, в пря моугольной структурной плите для обеспечения геометрической неизменяемости необходимо тремя горизонтальными опорными связями обеспечивать неподвижность системы в горизонтальной плоскости и пос тавить не менее четырех вертикальных опорных стержней по углам плиты. Обладая внутренней геометрической изменяемостью, в таких плитах просе дание одной из опор не влияет на напряженное состояние системы в целом.

Геометрически неизменяемые поясные сетки будут в том случае, если в каждой прямоугольной ячейке поставить диагональный стержень или придать ячейкам треугольную форму. Такие системы с регуляр ной решеткой воспринимают крутящие моменты, отчего при их опирании на четыре вертикальные опоры или более просадка каждой опоры влечет изме нение напряженного состояния всей системы.

В меньшей мере жесткостью на кручение обладают структуры, в которых одна сетка поясов геометрически неизменяема, другая изменяема, например одна состоит из шестиугольников, другая из треугольников.

Работа структурных плит на кручение приводит к уменьшению усилий в поясах от действия изгибающих моментов. Распределение усилий на диаго нальные направления вследствие восприятия кручения увеличивает общую жесткость системы, работа которой обычно соответствует расчетным моде лям в интервале от ортотропной пластинки с нулевой жесткостью на кру чение до изотропной пластинки.

Помимо структурных систем с регулярной решеткой, т. е. такой, в кото рой все ячейки заполнены раскосами, в практике строительства применяют структурные системы с так называемой разреженной решеткой, когда опре деленные ячейки не заполняются поясами или раскосами.

Глава 5. Облегченные балочные и рамные конструкции.

Проведенный технико-экономический анализ показал, что рамные кон струкции из сварных двутавровых элементов с переменной высотой попе речного сечения позволяют снизить расход стали по сравнению с применяе мыми рамами до 30 40%. Однако изготовление элементов переменной жесткости из листовых деталей при существующих возможностях заводов металлоконструкций требует высоких технологических затрат и может быть экономически выгодным лишь при наличии специализированного оборудо вания по обработке листа и сборке полученных деталей в профиль перемен ной жесткости. Подобное оборудование на существующих заводах металло конструкций отсутствует и появление его следует ожидать не ранее 1999 г.

В ЦНИИСК был предложен вариант изготовления элементов переменной жесткости из прокатных двутавров путем продольного роспуска стенки профиля по наклонной линии и соответствующей сборки и сварки образован ных половин. Полученные таким образом рамные конструкции дают возмож ность, не ожидая создания специализированных линий, снизить расход стали по сравнению с применяемыми рамными конструкциями типа Канск на 25 30%. Некоторый перерасход стали по сравнению со сварным вариантом из листовых деталей компенсируется снижением технологических затрат за счет сокращения более чем в 2 раза объема резки и сварки.

В ЦНИИСК была проведена серия испытаний натурных рамных конст рукций с элементами переменной жесткости, получаемыми из прокатных двутавров, а также сварных из листовых деталей, отработана методика их расчета и совместно с ЦНИИЛМК разработаны альбомы рабочей докумен тации^ на рамные конструкции применительно к каркасам одноэтажных зданий для строительства в различных климатических районах страны.

Применение в двутавровых сварных балках гибких стенок для строитель ных конструкций началось сравнительно недавно, не смотря на широкое использование гибких оконтуренных пластин в корабле и самолетостро ении. Объясняется это особенностями работы гибкой стенки в составе дву тавровых балок и характером ее загружения. Проведенный за рубежом и в нашей стране большой объем экспериментальных и теоретических исследо ваний тонкостенных балок с подкрепленными поперечными ребрами стен ками позволил разработать основные расчетные положения.

У нас в стране особо интенсивными исследованиями, разработками и внедрением в практику строительства подобных балок занимаются начиная с пятидесятых годов. Интерес к этим конструкциям объясняется их эко номичностью как по расходу стали, так и трудозатратам на изготовление. Высокие показатели по расходу материалов достигаются за счет использо вания закритической упругой и в ряде случаев упруго-пластической стадии работы тонкой стенки. Наличие ребер жесткости позволило рассматривать балку как совокупность автономных отсеков, подверженных различным силовым воздействиям: чистому сдвигу, изгибу или их совместному действию. Стенка балки представляется в виде гибкой прямоугольной пластинки, опертой на пояса и ребра жесткости, несущей в своей плоскости по контуру нагрузку, статически эквивалентную изгибающему моменту, поперечной, продольной силе или их комбинации. Ряд исследователей использовали для определения напряжений нелинейную теорию гибких пластин Т. Кармана. Предельная нагрузка находилась по различным услов ным критериям предельного состояния, ограничивающих работу материала балки образованием пластических деформаций.

Для учета развивающихся в стенке в за критическом состоянии пластических деформаций, в частности А. А. Евстратов использовал нелиней ные дифференциальные уравнения Ю. Р. Лепика, которые преобразованы с учетом сжимаемости материала за пределом упругости и применены для решения задачи чистого изгиба, сжатия и их совместного действия. Полученная при этом предельная нагрузка соответствовала стадии предельного равновесия, т. е. исчерпания несущей способности вследствие выпучивания стенки. В основе большинства метода расчета на сдвиг, начало которому положили исследо вания К. Баслера, лежит концепция диагональной пластической полосы. Наиболее полное обоснование эта концепция нашла в исследованиях К. Рокки и М. Шкалоуда. Разработанные ими теория предельного равновесия и ме ханизм исчерпания несущей способности с развитием диагональной зоны теку чести и пластических шарниров в поясах получили подтверждение в мно гочисленных экспериментах. Однако ряд практически важных задач по расчету тонкостенных реберных балок потребовал дальнейших исследований. К таким задачам относятся.

- разработки предложений, позволяющие прямыми методами с помощью расчетных формул определять напряжения, усилия и деформации при упругой закритической работе стенок.

- освещение вопросов устойчивости сжатых поясов в плоскости стенки при наличии закритического сдвига, а также работе опорных и поперечных ребер.

- определение перемещений тонкостенных элементов с учетом закритической работы стенки.

Глава 6. Металлические купола.

Глава 7. Мембранные оболочки.

Глава 8. Вантовые и ленточные оболочки.

Глава 9. Висячие большепролетные конструкции Олимпиады 80 в Москве.

Глава 10. Пролетные конструкции, работающие совместно с ограждением.

Глава 11. Специальные облегченные конструкции.

Глава 12. Ограждающие конструкции.

Глава 13. Материалы и соединения для легких стальных конструкций.

Глава 14. Направления исследований и развития отечественных металлических конструкций, перспективы на будущее.

dle
Просмотров: