Вибір матеріалів для металоконструкцій

Первинним елементом сталевих конструкцій є прокатна сталь, листова або профільна, що виробляється на металургійних заводах. З неї на заводах-виготівниках складають конструктивні елементи (балки, колони тощо), цілі конструкції або окремі їх частини. Готові прокатні профілі та їх машинна обробка на заводах забезпечують індустріальне й швидке виготовлення конструкцій.

Перелік прокатних профілів із зазначенням їхніх форми, розмірів, допусків, характеристик металу й маси 1 м довжини називають сортаментом. Сортамент оформлений у каталоги.

Прокатну сталь, яку використовують у сталевих конструкціях, поділяють на дві групи:

1) сталь листова товста або тонка, що прокочується між двома валками, й універсальна, прокочувана між чотирма валками у вигляді широкої смуги прямокутного перетину;

2) сталь профільна — кутики, швелери, двотаври, таври тощо.

Типи прокочуваних профілів великою мірою визначають конструктивну форму елементів споруд, й отже, трудомісткість їх виготовлення та витрати сталі. Різноманітність профілів та їх раціональних перетинів забезпечує проектування економічних конструкцій. Однак використання профілів з перетинами надмірно великого сортаменту призводить до зайвої різноманітності профілів у конструкції, що нераціонально через більшу вартість прокату, а також підвищення трудомісткості виготовлення. З огляду на це варто намагатись застосовувати в одній конструкції невелике число різних профілів, не допускаючи однак істотного обважнення конструкції.

На конструктивну форму сталевих конструкцій певною мірою впливає відмінність у вартості окремих профілів сталі. Найдешевшими є листова універсальна сталь, а також прокатні двотаври і швелери, що має стимулювати їх широке застосування.

Перший сортамент прокатної сталі в Росії був складений у 1900 р. під керівництвом відомого мостобудівника проф. М.А. Белелюбського (згодом його переглядали, розширювали і поліпшували у 1930 - 1932,1939,1957 р., удосконалюється він дотепер).

Номенклатура і галузі застосування металевих конструкцій (матеріал, профіль)

Сталь листова

Сталь товстолистова (ГОСТ 5681-57). Сортамент включає листи завтовшки від 4 до 160 мм; можна отримати листи завширшки до 3600 мм, однак ходова ширина не перевищує 2400 мм. Звичайна довжина листа 6 м, а листи завширшки до 2500 мм можуть мати довжину до 12 м. Великорозмірні листи значно дорожчі від звичайних. Листи завтовшки до 26 мм мають градацію за товщиною через 1 мм, далі — через 2 й 10 мм.

Із товстої листової сталі виготовляють листові конструкції, її також широко застосовують в елементах суцільних систем (балки, колони, рами).

Сталь тонколистова (ГОСТ 3680-57). Тонкі листи прокочують холодним і гарячим способами. Холоднокатані листи мають товщину 0,2 - 4 мм і довжину до 3,5 м, гарячекатані — товщину 0,5 - 4 мм і довжину до 3,9 м. Ширина листа тонколистової сталі 600 - 2000 мм.

Із тонколистової сталі виготовляють гнуті і штамповані тонкостінні профілі для покриття резервуарів і будинків, її застосовують також в інших спеціальних конструкціях

Сталь широкосмугову універсальну (ГОСТ 82-70) прокатують між чотирма валками, тому вона має рівні краї. Товщина такої сталі 4-60 мм із градацією до товщини 12 мм через 1 мм, далі — через 2 й 5 мм; ширина 200 - 1050 мм із градацією через 10, 20, 50 мм. Листи універсальної сталі прокочують завдовжки від 5 до 18 м, звичайної замовленої — завдовжки 5 - 12 м. Застосування універсальної сталі зменшує трудомісткість виготовлення конструкцій, особливо зварних, оскільки не потребує різання й вирівнювання струганням.

Сталь гарячекатана рулонна (ГОСТ 8797-57) завтовшки до 10 мм із шириною рулону 200 - 2300 мм. Застосовують у листових конструкціях і суцільних тонкостінних елементах.

Кутикові профілі

Кутикові профілі прокочують у вигляді рівнополицевих (ГОСТ 8509-86) і нерівнополицевих (ГОСТ 8510-86) кутиків. Сортамент кутиків досить великий: від дуже малих легких профілів із площею перетину 1 -1,5 см2 до великих профілів площею 140 см2.

Полиці кутиків мають паралельні грані, що полегшує конструювання. Мінімальна товщина кутиків визначається умовами прокатування й у рівнополицевих кутиках наближається до необхідної за умовами стійкості (Л/о < 17). Кутики прокочують завдовжки 4 - 13 м. Більші довжини прийняті для більших профілів.

Кутики широко застосовують у легких наскрізних конструкціях, у клепаних вони є основними сполучними елементами.

Кутикові робочі стрижні конструкції зазвичай складаються з двох або чотирьох кутиків. Економічніші кутики з меншими товщинами. Перетини з тонких кутиків краще працюють на поздовжній вигин і тому вигідніші в стиснених стрижнях. Розтягнуті елементи в болтових і клепаних конструкціях розраховують з урахуванням ослаблення площі, що за даного діаметра болтів чи заклепок тим менше, чим тонші полиці кутика.

Швелери» двотаври

Швелери виготовляють за ГОСТ 8240-72. їхні розміри та всі інші геометричні характеристики визначаються номером, що відповідає висоті стінки швелера (у сантиметрах). Сортамент включає швелери від № 5 до № 40. Починаючи з № 14 до № 24 швелери прокочують із двома різними за розміром полицями, що дає змогу раціональніше підбирати перетини. Стінки великих швелерів мають товщину, мінімальну за умовами стійкості.

Швелери прокочують завдовжки до 13 м. Замовлені довжини швелерів зазвичай бувають 6, 9 і 12 м.

Подібно до кутиків швелери у стрижнях, що працюють на осьову силу, застосовують у спареному вигляді, що дає перетини симетричні й досить стійкі відносно двох осей.

Швелери застосовують здебільшого у важких стрижневих конструкціях (мостах, великопрогінних рамах тощо), а також як колони й покрівельні прогони.

Балки двотаврові звичайні (ГОСТ 8239-72) так само, як і швелери, позначають номером, що відповідає їх висоті (у сантиметрах). У сортамент входять двотаври від № 10 до № 60. З № 18 до № 30 двотаври прокочують із двома різними за розміром полицями. Товщина стінки великих двотаврів досягає 1/55 їх висоти.

Двотаври прокочують завдовжки до 13 м. Замовлені довжини зазвичай бувають 6, 9 і 12 м.

Двотавр є основним балковим профілем. Внаслідок зосередження матеріалів у полицях двотаври мають більшу жорсткість відносно горизонтальної осі Ох. Чим тонша стінка, тим вигідніший перетин балки з погляду її роботи на вигин. Однак за умовами технології прокочування в більшості двотаврів стінки значно товстіші, ніж це потрібно за умовою їх стійкості. Полиці звичайних двотаврів мають невелику ширину, тому такі двотаври малостійкі відносно осі Оу. Застосування прокатного двотавра у вигляді самостійного конструктивного елемента знижує трудомісткість виготовлення й вартість конструкції.

Іноді за значних зусиль двотаври застосовують у стрижнях, що працюють на осьову силу (наприклад, у колонах). У цьому разі доцільно використовувати складені перетини з двох двотаврів для створення стрижнів, однаково стійких у двох площинах.

Балки двотаврові широкополицеві (ГОСТ 6183-52). Широкополицеві двотаври прокочують на спеціальних потужних станах. Вони бувають трьох типів: балкові профілі, колонні профілі легкі, колонні профілі важкі. Висота широкополицевих балкових профілів досягає 1000 мм. Відношення ширини полиць до висоти коливається від о/Л = 1/1,65 (за малих висот) до а/Л = 1/2,5 (за великих висот). Відношення ширини полиць до їх висоти у колонних профілях близьке до 1:1. Широкі полиці надають профілю стійкості відносно осі Оу.

Конструктивні переваги й потужність перетинів уможливлюють застосування широкополицевого двотавра у вигляді самостійного елемента (колонні балки), що не потребує майже ніякої обробки. їх широко використовують у каркасах громадських будівель, у мостах і важких елементах промислових конструкцій. У разі застосування широкополицевих двотаврів знижується трудомісткість виготовлення конструкцій у 2 - 3 рази. Нині вони не знаходять широкого застосування в Україні через обмеженість прокочування.

Зварні двотаври (МРТУ 7-4-66). Зварні двотаврові профілі часто замінюють прокатні широкополицеві двотаври.

Розвиток автоматичного зварювання створює сприятливі умови для виробництва двотаврів з універсальної сталі певного сортаменту. Наявність сортаменту дає змогу використовувати зварні двотаври так само, як і прокатні.

На автоматизованій потоковій лінії Дніпропетровського заводу металевих конструкцій ім. І.В. Бабушкіна виготовляють зварні двотаври оптимального сортаменту для звичайних балок, підкранових балок і колон. Зварні двотаври замовляють у мірних довжинах (до 12 м) обсягом не менш як 50 - 70 т.

Балки двотаврові полегшені (ГОСТ 6184-52) і швелери полегшені (ГОСТ 6185-52) мають мінімальні за умовами стійкості товщини стінок. Сортамент полегшених двотаврів і швелерів включає профілі від № 16 до № 30. Через вигідне розміщення металу в перетині ці профілі в легких балкових конструкціях виявляються на 10 - 15 % економічнішими за звичайні двотаври або швелери.

Труби

Сталеві труби бувають безшовні (ГОСТ 8732-70) та електрозварні (ГОСТ 10704-63). Безшовні труби прокочують діаметром 45 - 550 мм за товщини стінки 3,5 - 7,5 мм. Електрозварні труби мають діаметри 8 - 1620 мм за товщини стінки 1-16 мм. Стандарт на електрозварні труби передбачає виготовлення їх зі звичайної вуглецевої сталі. Однак нині вже освоєно технологічний процес отримання подібних труб з високоміцної сталі з межею текучості 45 - 50 кН/см2.

Внаслідок симетричності перетину й великої жорсткості труби є кращим профілем у разі роботи стрижня на стиск. Обтічність труби створює найкращу опірність корозії, знижує вітрове навантаження, що діє на відкриті конструкції. Широко застосовують сталеві труби при спорудженні веж і щогл, у ґратчастих конструкціях (фермах, арках тощо), що забезпечує значну економію сталі (до 25 %).

Гнуті профілі

Гнуті профілі виготовляють із листа, стрічки або смуги завтовшки 2-16 мм і завширшки 80 - 1600 мм. Найуживанішими є гнуті кутики (ГОСТ 8276-63; рис. 1.6, а) і швелери (ГОСТ 8276-63;

Гнуті профілі бувають квадратного й прямокутного перетину (ГОСТ 12336-66). За індивідуальним замовленням і заводськими технічними умовами можна отримати гнуті профілі найрізноманітніших форм.

Застосування гнутих профілів у легких і середньої потужності конструкціях дає економію металу до 10 %. Дуже легку покрівлю виготовляють зі сталевого профільованого настилу.

Різні прокатні профілі, які застосовують при складанні металоконструкцій

У будівельних конструкціях порівняно в меншому обсязі використовують інші профілі різного призначення:

1) -сталь квадратна (ГОСТ 2591-71) зі стороною квадрата 5 -100 мм;

2) сталь кругла (ГОСТ 2590-88) діаметром 5 - 250 мм;

3) сталь смугова (ГОСТ 103-57) завтовшки 4-60 мм і завширшки 12 - 200 мм;4

4) сталь листова рифлена (ГОСТ 8568-57) і сталь просічновитяжна (ГОСТ 8706-58), з якої виготовляють настили у виробничих приміщеннях та сходи);

5) сталь рулонна (ГОСТ 8596-57, (ГОСТ 8507-57) завширшки 200-2300 мм; холоднокатана рулонна сталь має товщину 0,2 - 4 мм, гарячекатана — 1,2 - 10 мм;

6) різні профілі для віконних рам і ліхтарних плетінь (ГОСТ 7511-58);

7) сталеві канати типу ТК спіральні (ГОСТ 3964-66, 3055-66) і подвійного сукання (ГОСТ 3067-66, 3068-66) застосовують у висячих, вантових і попередньо напружених конструкціях.