ПРОЕКТИРОВАНИЕ И КОНСТРУКЦИЯ СТАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ – ТИПЫ, НЮАНСЫ, ПРЕИМУЩЕСТВА

Когда дело доходит до типов зданий, очевидным выбором является предварительный выбор наиболее перспективного типа. Таким образом, стальная конструкция — это тот тип здания, который вы ищете, который работает лучше, чем любой другой возможный тип конструкции – бетон, древесина и так далее.

Сама сталь представляет собой сплав двух типов материалов – углерода и железа. Сталь также может быть наделена особыми свойствами путем добавления ряда дополнительных материалов в небольших количествах, будь то сера, хром, никель, фосфор, марганец и т.д. Это позволяет производить несколько различных сортов стали. Например:

  • Добавление меди позволяет улучшить свойства коррозионной стойкости стали;
  • Более высокий предел текучести и прочность на растяжение могут быть достигнуты путем добавления марганца и углерода, хотя есть и два недостатка – конечный результат труднее поддается сварке и обладает меньшей пластичностью (способность металла растягиваться при растяжении без трещин).;
  • Коррозионная стойкость и термостойкость также могут быть повышены за счет добавления никеля и хрома;
  • Усталостную прочность и способность к сварке можно повысить, добавив в смесь серу и фосфор.

По своей природе стальная конструкция представляет собой конструкцию, состоящую из множества компонентов, соединенных друг с другом, причем каждый компонент создается из конструкционной стали. Конструкционная сталь, с другой стороны, представляет собой строительный материал на основе стали, изготавливаемый определенной формы и состава в соответствии с необходимыми спецификациями.

Существует огромный выбор различных стальных профилей, которые можно использовать в качестве частей стальной конструкции, с различными формами, размерами и многим другим. Некоторые из наиболее распространенных форм, которые используются в качестве материалов для стальных конструкций, являются:

  • Угол – поперечное сечение, имеющее форму буквы “L”
  • Лист – тонкий плоский кусок металла, обычно толщиной 6 мм или менее
  • Пластина – более толстая разновидность листа, толще одной четвертой дюйма
  • HSS/SHS – Полая структурная секция, или Структурная полая секция, представляет собой форму, которая включает круглые, прямоугольные, эллиптические и квадратные секции
  • Двутавровая балка – поперечное сечение в форме буквы “I”; широкий термин, который включает различные типы балок в зависимости от страны:
    • В Европе – большое разнообразие разделов, таких как HL, IPE, HD, HE и так далее
    • В США – H- образные сечения, W-образные формы и т.д.
    • В Великобритании – в основном UCs и UBs (Универсальные колонны и Универсальные балки)
  • Конструктивный швеллер – С-образные сечения /С-образные балки
  • Стержень – длинный и относительно тонкий стальной кусок
  • Z-образная форма – половинки фланца в разных направлениях, своей уравновешенностью очень напоминает букву “Z”.
  • Тройник – поперечное сечение в форме буквы “Т”
  • Рельсовый профиль – разновидность двутавровой балки, асимметричная по своей природе, включает по меньшей мере четыре различных варианта:
    • Рельс для виньолей
    • Рифленый рельс
    • Железнодорожный рельс
    • Т-образный рельс с фланцем

В то время как некоторые из этих вариантов изготавливаются путем сварки вместе либо изогнутых, либо плоских пластин, большинство приведенных выше примеров создаются методом горячей или холодной прокатки – пропускания металлической заготовки через пары валков, чтобы сделать ее менее толстой.

Предполагается, что при правильной конструкции эта конструкция обеспечивает полностью жесткую контрацепцию, способную выдерживать большие веса. Некоторые типы зданий, в которых прямо сейчас используются стальные конструкции, — это мосты, башни, трубоукладчики, высотные здания, промышленные сооружения, элементы инфраструктуры и многое другое.

ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ

Как и в случае с любым другим типом зданий, конструкции из стальных конструкций имеют свои собственные проблемы и преимущества. Начнем, перейти на сайт, с положительных моментов: преимуществ стальных конструкций довольно много:

  • Стальные конструкции обладают всеми преимуществами как массового производства, так и заводского изготовления, за несколькими исключениями;
  • Усиление стальных конструкций в любой момент в будущем — это возможность, которая способствует продлению жизненного цикла;
  • Пластичность – свойство стали подвергаться пластической деформации перед полным разрушением, повышая запас прочности.;
  • Большая усталостная прочность;
  • Общая скорость строительства при использовании стальных конструкций впечатляюще высока, что позволяет сократить расходы, которые обычно возникают при длительных строительных работах;
  • Сталь, как правило, обладает впечатляющим соотношением прочности к весу, что делает сами конструкции относительно легкими по сравнению с тем весом, который они могут выдержать;
  • Многие свойства стали можно предсказать с относительно высокой точностью, что значительно упрощает расчет потенциальных уровней напряжений и других важных критериев.

Конечно, не было бы рынка с множеством вариантов, если бы один из них идеально подходил для всего. Таким образом, стальные конструкции также имеют свои собственные потенциальные недостатки, такие как:

  • Огнестойкость стальных конструкций является необходимостью, поскольку интенсивный нагрев способен резко снизить общую прочность стали;
  • Коррозия также является серьезным фактором, когда речь заходит о стали в целом, и стальные конструкции не являются исключением из этого правила — особенно когда речь идет о воздействии воды и воздуха на такие конструкции (в основном мосты), поэтому необходимо регулярное техническое обслуживание и антикоррозионная обработка;
  • Стальные конструкции часто стоят дороже, чем другие типы конструкций, что делает их гораздо менее привлекательным выбором для небольших проектов с ограниченным бюджетом.

ДЕТАЛЬНЫЙ ПРОЦЕСС СТРОИТЕЛЬСТВА СТАЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ

Процесс строительства любого здания из стали начинается с создания базовой линии для рассматриваемого здания. Эта базовая линия называется стальной каркасной конструкцией, и этот процесс состоит из четырех основных частей – возведения фундамента, возведения колонн, возведения стальных балок и создания системы перекрытий.

ФУНДАМЕНТ

Создание фундамента — это первая часть создания стального каркаса для вашего проекта, самый первый шаг в процессе возведения стальной конструкции. Существует несколько различных типов фундаментов, которые могут быть использованы в процессе строительства из стали, и самым важным решающим фактором при выборе конкретного типа фундамента является несущая способность грунта.

Чтобы выяснить, какой тип фундамента необходимо использовать для конкретного типа конструкции, выполняется процесс, называемый исследованием почвы – он оценивает состояние почвы в том же месте, где планируется построить стальную конструкцию, путем исследования как поверхностных, так и подповерхностных уровней вышеупомянутого грунта.

Общая конечная нагрузка на конструкцию из стальных конструкций также оказывает значительное влияние на выбор типа фундамента. Например, если процесс исследования грунта показал, что общая прочность грунта довольно низкая, а планируемая нагрузка на стальную конструкцию оценивается как высокая, то рекомендуется использовать свайный фундамент. Это особый тип фундамента, который позволяет стальной конструкции переносить нагрузку на уровень жесткого грунта.

В качестве альтернативы, если ожидаемая нагрузка на стальную конструкцию колеблется от низкой до умеренной, то можно использовать либо ленточный фундамент, либо железобетонные опорные площадки, поскольку оба этих типа фундамента передают свою нагрузку непосредственно на грунт под ними с расчетом на то, что он сможет выдержать нагрузку, получаемую от фундамента.

СТОЛБЦЫ

Установка колонны — это второй этап в процессе строительства из стали после установки фундамента. Этот конкретный этап также может сильно варьироваться в зависимости от общей нагрузки на конструкцию будущего стального здания. Разная нагрузка на конструкцию напрямую зависит от различных размеров стальных колонн — при этом стальные колонны изготавливаются задолго до начала строительного процесса.

Этот конкретный сегмент состоит из двух важных частей – соединения между фундаментом и колоннами, а также соединения (сращивания) между самими колоннами. Когда дело доходит до соединения фундамента и колонн, сварка используется для соединения концов колонн с опорными плитами. Сами опорные плиты могут иметь различную форму, но наиболее полезными являются прямоугольные или квадратные, поскольку с ними обычно легче всего работать, поскольку расстояние между болтами для таких форм опорных плит самое большое.

С другой стороны, сращивания — это довольно простые соединения между различными стальными колоннами, которые выполняются через каждые два или три этажа здания. Это позволяет колоннам быть довольно длинными, но не настолько, чтобы создавать проблемы с точки зрения производства и доставки. Соединения обычно выполняются примерно на высоте 0,6 метра над текущим этажом, и сварка используется для соединения двух стальных колонн вместе, когда сами колонны имеют круглую форму.

БАЛКИ

Монтаж стальных балок является следующим логическим шагом в этом процессе возведения стальной конструкции, используемой главным образом для передачи нагрузок с разных этажей (а также крыши) на ранее упомянутые колонны. Балка может иметь множество различных форм и размеров, причем самые длинные из них достигают 18 метров, в то время как наиболее часто используемые балки обычно составляют от 3 до 9 метров.

Существуют также две группы соединений, которые можно учитывать, когда дело доходит до возведения стальных балок. В первой группе соединений подробно описывается, как балки соединяются с существующими колоннами, и они разделены еще на две группы в зависимости от типов нагрузок, которым будет подвержено рассматриваемое соединение. Если ожидаемые нагрузки являются чисто вертикальными, то наилучшим вариантом является использование простых соединений, таких как двойной угол, ребристая пластина или гибкая концевая пластина. Если ожидаемая нагрузка является как вертикальной, так и торсионной, то рекомендуется использовать различные типы соединений, такие как удлиненные торцевые пластины или торцевые пластины на всю глубину.

Что касается соединения между самими балками, то основным методом здесь является использование соединения торцевой пластины между балками. Существует также возможность выравнивания вторичных балок, чтобы они соответствовали по высоте основным балкам (поскольку вторичные балки по умолчанию поддерживают систему перекрытия) – этого можно достичь либо вырезанием части вторичной балки, либо приваркой выступающего кронштейна к основной балке, чтобы не было необходимости в модификации вторичной балки в процессе соединения балки с балкой.

пример стальных балок

НАПОЛЬНАЯ СИСТЕМА

Установка напольной системы — это последняя часть головоломки, представляющей собой стальную конструкцию, и существует довольно много различных типов напольных систем, которые могут быть использованы в процессе строительства из стали. Полы обычно устанавливаются одновременно или после возведения балок, и полы, как правило, действуют одновременно как своего рода “диафрагма” для конструкции, а также как несущая конструкция для вертикально приложенных нагрузок. Различные вариации напольных систем включают в себя:

  • Несоставные балки со сборными железобетонными блоками;
  • Длиннопролетные композитные балки и перекрытия с добавлением металлического настила;
  • Ячеистые композитные балки и плиты перекрытия с добавлением стального настила;
  • Короткопролетные композитные балки и перекрытия с добавлением металлического настила;
  • Композитные балки со сборными железобетонными элементами;
  • Балки Slimflor со сборными железобетонными элементами;
  • Напольные системы Slimdek.

Стальные крепления и облицовка также часто рассматриваются в контексте этой темы. Крепление используется для передачи поперечного усилия от самой конструкции к колоннам, а затем к фундаменту. Облицовка, с другой стороны, используется для защиты внутренней части конструкции из стального каркаса и может иметь форму либо листовой облицовки, либо кирпичной облицовки.

ТИПЫ СТАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ В ВИДЕ ЗДАНИЙ

Существует много различных примеров стальных конструкций, которые мы привели выше, и все они могут быть разделены на четыре основных типа конструкций. Каждая из этих конструкций имеет свой собственный подход к строительству и подходит только для определенных типов металлоконструкций. Таким образом, эти четыре типа конструкции стальных конструкций являются:

  • Портальная рама. Наиболее распространенный тип легких стальных конструкций, портальная рама — это широко популярный тип стальных конструкций, который использует только профильную сталь, стальные трубы и сталь C / Z, чтобы выдерживать нагрузку всей конструкции. Он часто используется для самых разных типов зданий, будь то промышленные, сельскохозяйственные, институциональные или коммерческие – хотя самым популярным примером может быть обычный склад-ангар, который является обычным явлением во многих разных странах по всему миру.
  • Стальная решетка. Вообще говоря, сетка — это пространственная структура, состоящая из множества стержней, соединенных друг с другом определенной формой. Существует множество типов сеток, а также множество различных стандартов для них. Они обладают высокой жесткостью и обеспечивают высокую сейсмостойкость, что делает их идеальными для ангаров, выставочных залов, спортивных залов и так далее.
  • Стальной каркас здания. Другим популярным типом конструкций, который в основном используется для различных многоэтажных зданий, является стальной каркас здания, который состоит из колонн и балок, образующих конструкции, способные выдерживать как вертикальное, так и горизонтальное давление. Обычный выбор для высотных зданий, коммерческих офисов, конференц-залов и так далее.
  • Стальная ферма. Ферменная конструкция состоит из нескольких стержней, которые шарнирно закреплены на каждом конце стержня. Для него требуется меньше стали, чем для обычных стальных конструкций, он меньше весит и выдерживает большую нагрузку – вот почему его часто используют для мостов, крыш, коридоров башен, телебашен, нефтяных платформ и так далее.

ПРОЕКТИРОВАНИЕ СТАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Как и в случае с любым сооружением средних размеров из любого материала, на стадии проектирования необходимо выполнить множество расчетов, чтобы рассматриваемое здание не рухнуло под собственным весом. Когда дело доходит до стальных конструкций, существует два основных подхода к проектированию стальных конструкций (иногда называемых философией дизайна).:

  • Расчет коэффициента нагрузки и сопротивления (LRFD, также называемый Расчет предельного состояния – LSD);
  • Расчет допустимой прочности (ASD).

С точки зрения проектирования существуют специфические условия, которые теоретически могут быть применены к стальным конструкциям, называемые предельными состояниямиПредельное состояние представляет собой точку, после которой компонент или вся стальная конструкция больше не способны выполнять задачу, для которой они были созданы.

Существует множество различных примеров предельных состояний, которые могут каким-либо образом повредить конструкцию, сделав ее недоступной для использования в будущем – и это также необходимо учитывать уже на этапе проектирования, помимо общего косметического подхода к проектированию конструкции.

стальные лестницы-3

Некоторыми примерами предельных состояний являются растрескивание, кручение, усталость, сдвиг, изгиб, деформация и так далее. Чтобы решить все эти потенциальные проблемы сразу, был реализован особый подход к проектированию стальных конструкций, который называется LRFD – Расчет коэффициента нагрузки и сопротивления.

Это метод структурной инженерии, который использует предельные состояния для анализа потенциальных проблем и создания структур, которые с гораздо большей вероятностью будут поддерживать эти проблемы гораздо дольше, чем раньше. Этот метод учитывает как сопротивление, так и изменчивость нагрузки, достигая довольно высоких уровней безопасности для большинства предельных состояний.

Если концепция LRFD кажется вам слишком сложной — существует альтернатива под названием ASD – Дизайн допустимых напряжений. Это относительно простой подход к обеспечению безопасности зданий, и в основном его расчеты основаны на линейном упругом поведении рассматриваемого материала – в нашем случае это сталь. Это в основном основано на опыте работы с материалом и включает в себя только два важных фактора – потенциальную максимальную нагрузку на конструкцию и линейный коэффициент безопасности.

Когда дело доходит до прямого сравнения между ASD и LRFD при проектировании стальных конструкций, ASD будет простым, но менее точным, в то время как LRFD остается более сложным, но также и более надежным в своих расчетах. Кроме того, LRFD учитывает гораздо больше факторов при расчете своей конструкции, таких как различные значения нагрузок под напряжением и без нагрузки, которые вообще не рассчитываются по–разному, когда речь заходит о ASD.