13. Общие сведения о металлических конструкциях
13.1. Типы элементов, конструктивные особенности и свойства материала
Проектирование металлических (стальных) конструкций производится с использованием СНиП II-23-81 [10].
Основные типы металлических конструкций каркаса (колонны, фермы, рамы, подкрановые балки, связи) приведены в подразделе 5.3. Расчетные положения и конструктивные особенности даны в разд. 14. Там же дано описание балочной клетки.
Стальные материалы бывают углеродистыми и легированными (с добавками марганца, хрома, никеля). По физико-механическим свойствам различают три группы сталей (для строительных металлоконструкций используется группа В с гарантированными физико-механическими свойствами и химическим составом). При этом применяется маркировка. Например, Вст3сп ( В – группа, Ст3 – класс стали по механическим свойствам, сп – спокойный способ разливки).
По степени ответственности стальные конструкции разделены на четыре группы:
1 – сварные конструкции, подверженные динамическим, вибрационным и подвижным нагрузкам (подкрановые балки);
2 – сварные конструкции при статической нагрузке (фермы, балки покрытий и перекрытий);
3 – сварные конструкции при статической нагрузке (колонны, опоры под оборудование);
4 – вспомогательные конструкции (связи, элементы фахверка, лестницы).
По степени ответственности производится выбор марок стали.
Для металлоконструкций используется сортамент проката:
сортаменты профилей общего назначения (квадратный, круглый, прямоугольный, угловой, тавровый, двутавровый, швеллерный, листовой, трубчатый);
профили специального назначения (гофрированные профили настилов, профили для оконных и фонарных переплетов, крановые рельсы).
Стальные конструкции имеют следующие достоинства:
небольшая масса (по сравнению с железобетонными конструкциями);
индустриальность (использование проката заводского изготовления);
высокая технологичность (соединение проката сваркой);
легкость усиления.
К недостаткам стальных конструкций относятся:
подверженность коррозии;
снижение несущей способности при высоких и низких температурах;
высокая стоимость.
Стальные конструкции следует использовать для высоких и большепролетных зданий, в сейсмических и труднодоступных районах.
В качестве прочностных характеристик стальных конструкций используются сопротивление по пределу текучести R_y и временное сопротивление R_u. В СНиП (табл. 51) приведено более 120 значений прочности листового и фасонного проката, из которого выполняются строительные конструкции. В зависимости от прочностных характеристик прокатные стали подразделяются на три группы:
обычной прочности (R_y = 175...280 МПа, R_u = 335...380 МПа);
повышенной прочности (R_y = 280...360 МПа, R_u = 410...515 МПа);
высокой прочности (R_y = 320...515 МПа, R_u = 375...595 МПа).
13.2. Соединения элементов конструкций
Листовой и фасонный прокат объединяют между собой различными видами соединений, из которых наиболее распространенным видом является сварка, используемая в 90% стальных конструкций. Соединения на болтах нормальной и грубой точности являются в основном монтажными. Заклепки применяются, как правило, для алюминиевых конструкций.
По отношению к болтовым и заклепочным соединениям сварные соединения имеют следующие преимущества:
экономия металла (на 10...20 %) при меньшем весе конструкции;
малая трудоемкость;
полная герметичность стыковых соединений.
Основными видами сварки являются электродуговая (ручная, полуавтоматическая, автоматическая) и электрошлаковая. Электроды ручной электродуговой сварки, покрытые шлаковой обмазкой, маркируются. Например, Э50А (Э – электрод, 50 кг/кв. мм – временное сопротивление, А – повышенное качество стали). Автоматическая электродуговая сварка со слоем флюса перед электродом обеспечивает хорошее качество шва и быстроту его формирования (в 5...10 раз скорость выше ручной сварки).
По видам сварных соединений различают:
стыковое с прямым и косым швами (рис. 23, а);
нахлесточное с угловыми лобовым и фланговыми швами (рис. 23, б);
угловое (рис. 23, в);
тавровое (рис. 23, г).
Рис. 23. Виды сварных соединений:
а – стыкование, б – нахлестка, в – угловое соединение,
г – тавровое соединение
По положению в пространстве различаются швы нижние (Н) на горизонтальной плоскости, вертикальные (В) на вертикальной плоскости, потолочные (П). На заводах применяют кантователи.
Форма швов и разделка свариваемых кромок регламентируются ГОСТами и маркируются. Например, широко распространенные стыковые швы представлены следующими видами:
С7 – двусторонний шов без скоса кромок;
С9 – односторонний шов со скосом одной кромки;
С25 – двусторонний шов со скосом кромок.
Угловые нахлесточные швы менее экономичны, чем стыковые. Они распространены для стальных изделий небольшой толщины (2...5 мм) и не требуют разделки кромок. В качестве основного размера углового шва принимается его длина L_om и наименьший катет k_f поперечного сечения.