Использование металлоконструкций в современном строительстве
С каждым днем потребность в металлоконструкциях увеличивается и появляется необходимость увеличения их производства. Для этого нужно модернизировать старые и строить новые заводы по производству металлоконструкций.
Процесс изготовление конструкций из металла делится на несколько технологических этапов, при соблюдении которых получается качественная продукция, отвечающая требованиям современного строительства.
Популярность конструкций из металла для строительства обусловлена тем, что они являются основой современного строительного процесса.
Достоинства и недостатки современных металлоконструкций
Металлоконструкции, используемые в строительстве, имеют следующий ряд преимуществ:
Недостатком является меньший срок службы по сравнению с такими материалами, как железобетон, что обусловлено возможностью коррозии металла. Однако, с развитием новых технологий этот недостаток можно полностью или частично устранить. К тому же, здания из металлоконструкций, построенные в прошлом веке, дожили до нашего времени и практически не пострадали от воздействия природы.
Сфера использования металлоконструкций
Основной функцией строительных конструкций, выполненных из металла, является создание каркаса строящегося здания и обеспечение его прочности и безопасности.
Металлоконструкции применяются как при монтаже быстровозводимых зданий, так и при возведении построек промышленного характера. Таким образом, это могут быть модульные постройки, жилые частные дома, садовые постройки и другие объекты.
Особенности работы с металлоконструкциями
Последовательность монтажа данных изделий зависит от планируемой высоты будущего сооружения, особенности его конструкции и многих других факторов.
Работы по сборке металлоконструкций делятся на следующие этапы:
Металлические конструкции, производимые в заводских условиях очень многогранны по своему предназначению. Несмотря на это главной целью инженерного и конструкторского корпуса является разработка новых форм, позволяющих еще больше увеличить прочностные характеристики построек и снизить затраты на строительство путем упрощения монтажа изделий.
Каркасы из металла, применяемые в жилищном строительстве, должны быть безопасны в процессе всего периода эксплуатации зданий.
Основные виды металлоконструкции, используемые в современном строительстве, это всевозможные каркасы и армирующие сетки, металлические блоки для крупнопанельного строительства, балки и колоны, стальные листы разных размеров и другие изделия.
Чтобы минимизировать влияние атмосферных явлений на качество здания и увеличить срок его службы, металлоконструкции окрашивают красками по металлу или обрабатывают полимерными составами.
Правила покраски металлоконструкций:
1. Перед покраской поверхности тщательно обрабатываются при помощи щеток и протираются растворителем;
2. Красить лучше при помощи распылителя;
3. Число слоев должно быть не меньше четырех, чтобы полностью покрыть изделие ровным слоем без пропусков и подтеков.
Применение металлоконструкций в строительной отрасли
Современные строительные технологии предполагают широкое применение металлоконструкций разных модификаций. Любые строительные объекты – здания гражданского или промышленного назначения, мосты, ограждения, опоры, декоративные элементы возводятся с использованием металла в той или иной форме.
По популярности среди металлов, применяемых в строительстве, лидирует сталь, которая обычно проходит предварительную обработку, защищающую материал от коррозии. В качестве защитного покрытия труб, стальных листов и других конструкций чаще всего используется цинк. На строительный сегмент расходуется около 45% объемов выпускаемого металлургическими производствами оцинкованного листа.
Из оцинкованной стали легко формируются различные элементы, поэтому листовые изделия из нее используются и в кровельно-монтажных работах, и при устройстве водоотливов, и для декорирования объектов. По-прежнему в строительстве востребованы оцинкованные трубы и профильные элементы, которые необходимы для прокладки сетей водоснабжения. Для строительства мостов нужны высокопрочные металлоконструкции, поэтому металлургические комбинаты выпускают специальные элементы из толстостенного оцинкованного профиля.
Появление монолитных железобетонных конструкций в несъемной опалубке заметно повлияло на рост потребности в оцинкованной стали в строительной отрасли. Все большее применение находят в строительном секторе и сэндвич-панели, для производства которых также применяется оцинкованная листовая сталь.
В современном строительстве все более широкое распространение получает и профнастил. Этот материал строители успели оценить по таким критериям: удобство на монтаже, сокращающее сроки выполнения работ; эстетические характеристики; небольшой вес в сравнении с бетоном, кирпичом и шифером. Профнастил широко используется в кровельных работах, так как кровля из него отличается долговечностью, легкостью и достойным внешним видом.
В последнее время профнастил нашел применение и в качестве несъемной опалубки для бетонных конструкций. Такая технология существенно экономит время на выполнение строительных работ при возведении бетонных стен, перекрытий и других элементов. Производители выпускают профнастил, различающийся по толщине, цвету и площади листов.
Современный рынок строительных материалов предлагает также металлочерепицу, которая завоевывает все большую популярность у покупателей как надежный и эстетичный материал для кровли. Для ее изготовления используется оцинкованная сталь, защищенная от коррозии полимерным слоем. Материал характеризуется длительным сроком службы, высокими декоративными свойствами и экологичностью.
Нержавеющая сталь в строительных металлоконструкциях всегда была и остается элитным и приоритетным материалом. Она используется для создания стильных элементов современного декора на любых объектах. Благодаря инертности нержавеющей стали к воздействию атмосферных осадков, ее применяют и в строительных конструкциях, не защищенных от внешней среды. Крыши домов, фонтаны, рекламные щиты, городская скульптура – на всех этих объектах может быть использована нержавеющая сталь.
Разнообразие видов нержавеющей стали очень велико, материал может быть и глянцевым, и цветным, и тисненым, и декорированным рисунком. Элементы из нержавеющей стали требуют минимального ухода, поэтому в современном интерьере дизайнеры все чаще используют их для создания стилевых композиций.
Несмотря на появление множества новых строительных материалов химического происхождения, строительная отрасль вряд ли когда-нибудь откажется от использования прочных, долговечных и внешне эффектных металлоконструкций.
Область применения металлических конструкций
Область применения металлических конструкций
Широко используется металл в высотных и повышенной этажности зданиях для несущих колонн и ригелей, которые затем обетонируются. Стальные конструкции в виде готовых пространственных элементов завозят с заводов, устанавливают на место, соединяя их между собой на сварке.
Конструкции такого типа применяют в строительстве для монолитных фундаментов высотных и уникальных зданий.
Кроме того, в строительстве применяются различные крепления, металлические профильные фермы, вкладыши, анкеры и другие закладные детали в балках, пролетных строениях мостовых конструкций.
В жилищном строительстве стальные соединения для крепления конструкций находят применение почти на каждом объекте. Прочности креплений, защите и неизменяемости закладных деталей придается исключительно большое значение; от их надежности и долговечности зависит устойчивость здания в целом.
Немало зданий перекрыто деревянными конструкциями с металлическими затяжками, связями и другими стальными элементами. Стальные конструкции используются также в тех случаях, когда приходится усиливать реконструируемые, ослабленные или утратившие первоначальную прочность части зданий.
Основные особенности металлических конструкций. Достоинства и недостаки.
Достоинства:
Основными достоинствами металлических конструкций являются:
высокая несущая способность — возможность воспринимать значительные нагрузки при относительно небольших сечениях вследствие значительной прочности металла;
высокая надежность, так как конструкции могут быть рассчитаны достаточно точно,
легкость и транспортабельность
Недостатки:
К недостаткам металлических конструкций относится низкая коррозиестойкость и огнестойкость. Эти недостатки иногда требуют применения специальных коррозиестойких сталей и специальных защитных покрытий, предохраняющих их от коррозии и относительно высоких (более 400 °С) температур.
Основные направления развития металлоконструкций
В настоящее время научные исследования в области металлических конструкций проводятся по нескольким направлениям:
технико-экономические исследования; теория формообразования; теория сооружений; теория технологических процессов; теория методов монтажа.
Технико-экономические исследования проводятся по четырем направлениям, которые в ближайшие годы должны получить дальнейшее развитие:
1) оптимизация перспективного планирования отрасли металлостроительства; 2) экономика промышленного производства строительных металлических конструкций; 3) разработка и совершенствование сметных нормативов и ценообразования в области металлостроительства; 4) экономика проектных решений металлических конструкций.
К основным работам первого направления за последние годы относятся:
1) разработка предложений по развитию металлических конструкций; 2) разработка оптимального перспективного плана размещения производства стальных строительных конструкций; 3) разработка схемы размещения заводов алюминиевых строительных конструкций.
Большое значение для совершенствования прогнозов в области развития металл строительства имеет разработка обоснованных предложений по экономии металла в связи с осуществлением мероприятий технического прогресса и применением эффективных материалов.
4) Диаграмма работы стали на растяжение и сжатие
Под работой стали на сжатие понимают работу на сжатие коротких элементов, которые не могут потерять устойчивость, т. е. получить изгиб на длине. Напряжение в сжатом элементе определяют так же, как и в растянутом 
Концентрация напряжений
В местах искажения сечения (у отверстий, выточек, надрезов, утолщений и т. п.) происходит искривление линий силового потока и их сгущение около препятствий (рис. 2.6), что приводит к повышению напряжений в этих местах.
Рис.2.6. Траектория и концентрация напряжений у мест резкого изменения формы элемента
Отношение максимального напряжения в местах концентрации к номинальному, равномерно распределенному по ослабленному сечению, называется коэффициентом концентрации. Коэффициент концентрации у круглых отверстий и полукруглых выточек имеет значение 2-3. В местах острых надрезов оно выше и тем больше, чем меньше радиус кривизны надреза и чем гуще собирается в этих местах силовой поток; коэффициент концентрации в этом случае достигает значения 6-9.
Развитие пластических деформаций и разрушение при равномерном распределении напряжений происходят под воздействием касательных напряжений, наибольшее значение которых возникает на плоскостях, наклонных под углом 45° к действующей силе (зона 1). При резком перепаде напряжений (зона 2) общие сдвиговые деформации происходить не могут (из-за задержки соседними, менее напряженными участками), поэтому в этих областях металл разрушается путем отрыва по плоскостям, нормальным к действующей силе.
При статических нагрузках и нормальной температуре концентрация напряжений существенного влияния на несущую способность не оказывает (не учитывая некоторого повышения разрушающей нагрузки). Поэтому при расчетах элементов металлических конструкций при таком виде воздействиях их влияние на прочность не учитывается.
При понижении температуры прочность на разрыв гладких образцов повышается во всем диапазоне отрицательных температур; прочность же образцов с надрезом повышается до некоторой отрицательной температуры, а затем понижается.
При длительном воздействии нагрузки сопротивление разрушению понижается.
Испытаниями установлено, что конструкции из низколегированных, особенно термоупрочненных сталей сопротивляются разрушению лучше, чем малоуглеродистые стали.
Работа стали при изгибе
В изгибаемом элементе нормальные «напряжения распределяются по сечению неравномерно (как известно, в стадии упругой работы — по линейному закону): максимальные напряжения будут в фибровых (крайних) волокнах, по нейтральной оси они равны нулю. Если изгибающий момент будет продолжать увеличиваться, напряжения в крайних волокнах вследствие развития пластических деформаций останутся равными ат, а дополнительный момент будет восприниматься менее напряженными волокнами, расположенными ближе ^нейтральной оси. Наконец, Наступит время, когда напряжения по всему сечению балки будут равными пределу текучести — образуется так называемый шарнир пластичности и балка превратится в статически изменяемую «систему. Несущая способность балки полностью исчерпана.
Для разрезных прокатных и сварных (постоянного сече- по длине) балок, воспринимающих статическую нагрузку, закрепленных от потери общей устойчивости, а также при условии, что касательные напряжения в месте наибольшего изгибающего момента не превышают 0,3 расчетного сопротивления,нормы допускают развитие пластических деформаций.
В балках при изгибе, как известно, кроме нормальных возникают и касательные напряжения. Значения их изменяются как по длине балки, так и по высоте сечения. Так, для балки с шарнирными опорами при равномерно распределенной нагрузке на опоре изгибающий момент и нормальные напряжения равны нулю, в середине пролета М и а — максимальные. Касательные напряжения, являющиеся функцией поперечной силы, будут максимальными в опорном сечении и равными нулю в середине пролета балки.
Во всех остальных сечениях между опорой и серединой балки одновременно действуют нормальные и касательные напряжения. В этой зоне балки и в первую очередь в балках с измененным по длине сечением необходимо определять их суммарные значения — приведенные напряжения.
Вопросик
Вопросик
Уголковые профили
Геометрические характеристики сечения швеллеров определяются его номером, который соответствует высоте стенки швеллера (в сантиметрах). Сортамент (ГОСТ 8240-72 с изм.) включает швеллеры от № 5 до № 40 с уклоном внутренних граней полок. Уклон внутренних граней полок затрудняет конструирование.
Балки двутавровые обыкновенные (ГОСТ 8239-72 с изм.) так же, как и швеллеры имеют уклон внутренних граней полок и обозначаются номером, соответствующим их высоте в сантиметрах. В сортамент входят профили от № 10 до № 60.
———Тонкостенные профили. Тонкостенные двутавры (ТУ 14-2-205-76) и швеллеры (ТУ 14-2-204-76) прокатываются на непрерывном стане с особо тонкими стенками и полками, что делает их экономичнее обычных прокатных профилей на 14-20 %. Тонкостенные профили имеют высоту от 120 до 300 мм и полки с параллельными гранями. Применяются тонкостенные профили в балках площадок, фахверках, в легких перекрытиях и покрытиях.
——Трубы Стальные трубы, применяемые в строительстве, бывают круглые-горячекатаные (ГОСТ 8732-78 с изм.) и электросварные (ГОСТ 10704-76 с пзм.), прямоугольного и квадратного сечения-электросварные (ТУ36-2287-80 и ТУ14-2-361-79).
———Холодногнутые профили Гнутые профили изготовляются из листа лепты или полосы толщиной от 1 до 8 мм. По индивидуальным заказам и техническим условиям металлургических заводов можно получить гнутые профили самой разнообразной формы. Наиболее употребительны равнонолочные и неравнополочные уголки, швеллеры, с-образные, зетовые, замкнутые квадратного и прямоугольного сечения. Основная область применения- в легких конструкциях покрытий зданий, где они, заменяя прокатные профили, могут дать экономию металла до 10 %.
——-Различные профили и материалы, применяемые в строительстве
В металлических конструкциях в сравнительно меньшем объеме применяются профили других конфигураций и материалы разного назначения (стальные канаты и проволока): профили для оконных и фонарных переплетов (ГОСТ 7511-73); крановые рельсы (ГОСТ 4121-76 с изм.); двутавровые профили для путей подвесного транспорта (ГОСТ 19425-74 с изм.); стальные канаты и высокопрочная проволока для висячих и вантовых конструкций покрытий зданий и сооружений; висячих и вантовых мостов, в антенно-мачтовых сооружениях и в предварительно напряженных покрытиях; оцинкованный профилированный настил (ГОСТ 14918-80 с изм.).
———Профили из алюминиевых сплавовСтроительные профили из алюминиевых сплавов получают прокаткой, прессованием или литьем. Листы, ленты и плиты прокатываются в горячем или холодном состоянии. Листы прокатывают толщиной до 10,5 мм, шириной до 2000 мм и длиной до 7 м. Фасонные профили, в том числе и полые (трубчатые), изготовляют горячим прессованием на гидравлических прессах.Наиболее распространенное на заводах оборудование требует, чтобы профили вписывались в круг диаметром 320 мм (в отдельных случаях 530 мм). На современном прессовом оборудовании можно изготовлять профили площадью сечения от 0,5 до 300 см 2 Гнутые профили изготовляют из листов и лент толщиной до 4 мм гнутьем их в холодном состоянии.
Вопросик
Длинномерные швы в конструкциях (поясные швы балок, колонн и др.) выполняются в заводских условиях автоматической сваркой под флюсом. Флюс защищает изделие от вредного воздействия окружающей среды на металл соединения. При этом механизированы два рабочих движения: подача
электродной проволоки и относительное перемещение дуги и изделия. К недостаткам автоматической сварки можно отнести затруднительность выполнения швов в вертикальном и потолочном положении, что ограничивает ее применение на монтаже.
Короткие швы (приварка ребер, сварка узлов в решетчатых конструкциях) выполняют полуавтоматической сваркой. При этом автоматически подается сварочная электродная проволока, а передвижение дуги по изделию производится вручную. Полуавтоматическую сварку стальных конструкций чаще выполняют в среде защитного газа 
(углекислый газ). Реже применяют сварку порошковой проволокой.
В ряде случаев используют ручную сварку качественными электродами, т.е. с качественным покрытием (толстым покрытием). При ручной дуговой сварке оба главных рабочих движения – подача электродной проволоки и передвижения дуги по изделию – выполняются вручную.
Ручная электродуговая сварка универсальна и широко распространена, так как может выполняться в любом положении. К недостаткам ручной сварки относятся меньшая глубина проплавления основного металла, меньшая производительность процесса из-за относительно низкой величины применяемого сварного тока, а также меньшая стабильность ручного процесса по сравнению с автоматической сваркой под флюсом.
Ванная сварка – разновидность электрошлаковой, применяется в некоторых случаях при сварке арматуры большой толщины в железобетонных конструкциях.
Вопросик
РАСЧЕТНЫЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
2.1 (3.4).Расчетные сопротивления сварных соединений для различных видов соединений и напряженных состояний следует определять по формулам, приведенным в табл. 3 СНиП II-23-81.
2.2. Расчетные сопротивления сварных соединений, определенные по формулам, которые приведены в главе СНиП II-23-81, обеспечиваются при соблюдении следующих условий:
подготовка материалов, сборка конструкций, сварка и контроль качества осуществляются в соответствии с требованиями главы СНиП III-18-75; сварочные материалы для стыковых соединений соответствуют прочности свариваемой стали и условиям эксплуатации конструкций и применяются в соответствии с табл. 1 прил. 1;
сварочные материалы для расчетных угловых швов применяются в соответствии с табл. 2 прил. 1 с учетом условий эксплуатации конструкций, указанных в табл. 1 прил. 1.
2.3. Расчетные сопротивления стыковых соединений, выполняемых всеми видами дуговой сварки, принимаются равными расчетным сопротивлениям стального проката при условии физического контроля качества швов в растянутых элементах и соблюдении требований п. 13.42 главы СНиП II-23-81 об обеспечении полного провара соединяемых элементов путем двухсторонней сварки, односторонней с подваркой корня шва или односторонней сварки на подкладке.
В случаях, когда в стыковых соединениях невозможно обеспечить полный провар элементов, рекомендуется принимать Rwy =0,7 Rу.
2.4. Несущая способность сварных соединений с угловыми швами зависит от ориентации шва относительно направления усилия, действующего на соединение. Однако учет этой зависимости существенно усложняет расчет соединения, в связи с чем расчетные сопротивления соединений с угловыми швами в главе СНиП II-23-81 приняты для наименее благоприятной ориентации (флангового шва) и независимыми от величины угла между продольной осью шва и направлением силового вектора, действующего на него.
Вопросик
Вопросик
Вопросик
Конструктивные требования к сварным соединениям элементов стальных конструкций
Сварные стыковые соединения листовых деталей следует, как правило выполнять прямыми с полным приваром и с применением выводных планок.
Размеры и форму сварных угловых швов следует принимать с учетом следующих условий:
а) катеты угловых швов, kf, должны быть не менее указанных в табл. 7 приложения, но не более 1,2t, где t – меньшая из толщин свариваемых элементов:
, (1.17)
б) расчетная длина шва должна быть не менее 4 kf, но не менее 40 мм. Расчетная длина флангового шва должна быть не более 85 (b f kf), мм.
, (1.18)
мм, (1.19)
Для элементов ферм наименьшая длина фланговых швов – 60 мм, расстояние между соседними швами на фасонке – не менее 50 мм.
в) при сварке полок прокатных профилей вдоль кромок, имеющих округления, наибольшую толщину углового шва kf принимают меньше толщины полки:
– для уголков с толщиной полки t 
6 мм – kf = t – 1 мм;
– то же, t = 7 
16 мм – kf = t – 2 мм;
– то же, t > 16 мм – kf = t – 4 мм;
– для двутавров до N14 и швеллеров N10–12 – kf 4 мм;
– то же, N 30 – 40 и швеллера N 30 – kf 8 мм;
– то же, N 45 и швеллеров N 36 – 40 – kf 10 мм;
Рекомендуемые минимальные толщины угловых швов в зависимости от толщины свариваемых элементов, вида сварки и вида соединений приведены в табл. 7 приложения.
– размер нахлестки должен быть не менее 5 толщин наиболее тонкого из свариваемых элементов (рис. 1.2, б);
– соотношение размеров катетов угловых швов чаще всего 1: 1. При разных толщинах свариваемых элементов допускается принимать швы с неравными катетами, при этом катет, примыкающий к более тонкому элементу, должен быть не более 1,2t, t – толщина этого элемента, а примыкающий к более толстому элементу – должен отвечать требованиям табл. 7приложения.
– в конструкциях, воспринимающих динамические и вибрационные нагрузки, а также возводимых в климатических районах I1, I2; II2 и II3, угловые швы следует выполнять с плавным переходом к основному металлу при обосновании при помощи расчета на выносливость или на прочность, с учетом хрупкого разрушения;
– для прикрепления ребер жесткости, диафрагм и поясов сварных двутавров и конструкции группы 4 допускается применять односторонние угловые швы, катеты,
Область применения металлических конструкций
Широко используется металл в высотных и повышенной этажности зданиях для несущих колонн и ригелей, которые затем обетонируются. Стальные конструкции в виде готовых пространственных элементов завозят с заводов, устанавливают на место, соединяя их между собой на сварке.
Конструкции такого типа применяют в строительстве для монолитных фундаментов высотных и уникальных зданий.
Кроме того, в строительстве применяются различные крепления, металлические профильные фермы, вкладыши, анкеры и другие закладные детали в балках, пролетных строениях мостовых конструкций.
В жилищном строительстве стальные соединения для крепления конструкций находят применение почти на каждом объекте. Прочности креплений, защите и неизменяемости закладных деталей придается исключительно большое значение; от их надежности и долговечности зависит устойчивость здания в целом.
Немало зданий перекрыто деревянными конструкциями с металлическими затяжками, связями и другими стальными элементами. Стальные конструкции используются также в тех случаях, когда приходится усиливать реконструируемые, ослабленные или утратившие первоначальную прочность части зданий.