Выбор стали для МК
В действующих нормах все строительные металлоконструкции разделены на 4 группы. В первую группу входят сварные конструкции, работающие в особо тяжелых условиях (динамическая или подвижная циклическая нагрузка). Примером таких конструкций являются подкрановые балки для мостовых кранов производственных зданий. В зависимости от расчетной низкой температуры эксплуатации для них рекомендуются стали обычной прочности С255, С285, либо повышенной прочности С345, С375. При определенных условиях возможно использование даже высокопрочных сталей С390 и С440. Ко второй группе относятся сварные конструкции, работающие на статическую нагрузку при наличии растягивающих напряжений. Это — фермы, балки покрытий и перекрытий. Для таких МК нормы разрешают использовать все стали обычной прочности, кроме кипящей С235, и стали повышенной прочности. В третью группу входят сварные конструкции, работающие на сжимающую статическую нагрузку. Это все разновидности колонн. Нормы допускают использование сталей обычной и повышенной прочности (кипящая сталь С235 — только для конструкций, находящихся в отапливаемом помещении). И, наконец, четвертая группа — это вспомогательные и второстепенные малонагруженные конструкции: связи, прокатные балки, лестницы. При расчетной температуре не ниже -40°С необходимо использовать наиболее дешевую кипящую сталь С235, а при более низких температурах спокойную или полуспокойную сталь С245…С285. Использование сталей повышенной прочности для МК четвертой группы экономически нецелесообразно.
Сортамент — это научно обоснованный перечень металлических профилей с указанием их формы, размеров и характеристик. Наиболее широко применяются прокатные и гнутые профили. Прокатный металл делится на листовой и фасонный — уголки, швеллеры, двутавры, тавры и трубы. Гнутые профили — уголки, швеллеры и «Z» — образные профили. Листовая сталь (рис. 1.1а) делится на толстолистовую, тонколистовую и универсальную. Толстолистовая (толщина от 4 до 160 мм) используется в листовых конструкциях, а также в качестве элементов составных конструкций (пояса, стенки двутавровых балок и колонн). Тонколистовая сталь (толщина 0,5…4 мм) применяется для изготовления 15 гнутых профилей и ограждающих конструкций. Лист универсальной стали (толщина 6…40 мм) имеет 4 ровных грани. При использовании этой стали в составных балках и колоннах снижается трудоемкость их изготовления, т.к. не требуется резать и обрабатывать кромки. Угловая прокатная сталь бывает равнополочной и неравнополочной (рис. 1.16, в). Размеры полок уголков варьируются от 50 до 250 мм, толщины от 5 до 30 мм. Из угловой стали чаще проектируют решетчатые конструкции и сооружения: фермы, арки, высотные башни и мачты. Прокатные швеллеры (рис. 1.1 г) выпускают от № 5 до № 40, причем номер швеллера соответствует его высоте в сантиметрах. В строительстве швеллер — это готовая балка (прогон покрытия), особенно выгодная в покрытиях зданий с большим уклоном. Швеллеры — также элементы сечений составных балок, колонн, связей. Двутавровые профили бывают с уклоном внутренних граней полок (рис. 1.1д) и с параллельными гранями (рис. l.le). Первые чаще используются в качестве балок. Такие двутавры (от № 10 до № 60) позволяют перекрывать пролеты до 4—б м. Двутавры с параллельными гранями полок выпускают трех видов: балочные, широкополочные и колонные. Высота сечения балочных и широкополочных профилей достигает 1 м. Такими мощными балками можно перекрыть пролеты до 10 м. Широкополочные и колонные двутавры — это также колонны с невысокой трудоемкостью изготовления.
Рис. 1.1. Типы профилей: а — лист, б — равнополочный уголок, в — неравнополочный уголок, г — швеллер, д — двутавр с уклоном внутренних граней полок, е — двутавр с параллельными гранями полок, ж — тавр, з — круглая труба, и- гнутая квадратная труба.
Разрезкой двутавров можно получить тавровые профили (рис. 1.1 ж), которые используются в качестве поясов решетчатых конструкций: ферм, рам, арок. Трубчатые профили бывают круглые, прямоугольные и гнутосвар-ные. Круглые трубы (рис. 1.1. з), в свою очередь, делятся на горячеде-формированные (бесшовные) и сварные. Труба идеальный профиль для колонн и сжатых стержней конструкций. Сварные трубы больших диаметров (D > 500 мм) используют для транспортировки нефти и газа. Металл в поперечном сечении трубы равноудален от центра тяжести, что обеспечивает большие моменты и радиусы инерции в главных плоскостях. Кроме того, жесткость при кручении у трубы в десятки и сотни раз выше, чем у любого открытого профиля (двутавр, швеллер). Использование круглых труб, например, в фермах обеспечивает экономию стали до 30 %. Труба также обладает высокой коррозионной стойкостью при условии герметизации внутренней полости и многими другими достоинствами. К недостаткам круглой трубы можно отнести её высокую стоимость в сравнении с другими профилями.
Рис. 1.2. Прямоугольные сварные трубы:
а — из двух уголков, б — из четырех уголков, в — из двух швеллеров г — из четырех листов
Прямоугольные сварные трубы изготавливают из прокатных профилей: двух или четырёх уголков, двух швеллеров, четырех листов (рис. 1.2). Прямоугольные трубы выгодно использовать в конструкциях, работающих как на сжатие (колонны), так и на изгиб (балки, фермы). Эти профили сочетают в себе достоинства круглых труб с невысокой стоимостью изготовления. Гнутосварные трубы (рис. 1.1 и) выполняют из тонколистовой стали по специальной технологии. Благодаря своей тонкостенности (t=3-8 мм при габаритном размере h до 180 мм) они эффективны при работе на сжатие. На основе гнутосварных труб разработаны типовые решения каркасов производственных зданий. По стоимости такие трубы занимают промежуточное положение между круглыми и прямоугольными. Гнутые профили в основном применяют в качестве прогонов, связей и в ограждающих конструкциях каркасов зданий. Известно, что при использовании в одной конструкции, например ферме, большого количества типов или типоразмеров профилей, (в соответствии с действующими усилиями) можно добиться экономии металла, но при этом возрастает трудоемкость изготовления. Поэтому, для создания экономичной конструкции важно не только правильно выбрать тип профиля, исходя из условий его работы, но и сократить число типоразмеров до разумного предела, т.е. выполнить оптимальную по массе унификацию.