Особенности проектирования строительных металлоконструкций
Около 98 % стальных строительных конструкций в нашей стране выполняются сварными. Стремительный рост объемов производства стальных строительных конструкций прежде всего связан с широким применением сварки.
Однако для обеспечения высокой работоспособности сварных конструкций при проектировании приходится учитывать ряд требований.
На несущую способность сварной конструкции большое влияние оказывают применяемые сварочные материалы, которые влияют не только на эксплуатационные свойства конструкции, но определяют и ее стоимость изготовления. Поэтому материал выбирают, принимая во внимание характер нагрузки (статические, динамические, повторно переменные), температурные условия, сейсмичность, агрессивность среды и т. д.
Большое значение для конструкций, работающих в условиях динамического нагружения или низких температур, имеет форма сварного соединения. Наличие концентраторов напряжения в сварных соединениях в процессе эксплуатации конструкции может привести к снижению или потере пластических свойств и разрушению конструкции.
Температурное воздействие на свариваемые кромки вызывает образование структурных неоднородностей, т. е. зон с различными механическими свойствами. В сочетании с геометрическими несовершенствами эти структурные неоднородности также могут привести к снижению несущей способности конструкции.
Процесс сварки вследствие неравномерного нагрева и последующего охлаждения вызывает образование сварочных напряжений и деформаций. Поэтому для каждой конструкции необходимо выбирать такие процессы сварки и технологические приемы, которые обеспечивали бы образование минимальных напряжений и деформаций.
Промышленные предприятия и сложные гражданские здания и сооружения проектируются в две стадии - технический проект (чертежи КМ) и рабочие чертежи (КМД). Технический проект содержит данные о составе и мощности предприятия, источниках обеспечения сырьем, энергией и водой, технологические схемы производства, основные объемно-планировочные и конструктивные решения, а также проект организации строительства (ПОС). Чертежи КМ содержат основные виды (проекции) конструкций, сложных элементов, продольные и поперечные разрезы, характерные сечения, узлы сопряжения. Кроме того, в чертежах КМ приводятся все генеральные и основные размеры конструкций и их элементов, сечеиия и профили проката, размеры и типы сварных швов, усилия в стержнях и узлах, а также опорные реакции. К чертежам КМ прилагают пояснительную записку и спецификацию на металл с указанием марки стали, профиля и массы, включая общую массу конструкций, а также технологическую записку и ее краткое пояснение о способе сварки и сварочных материалах.
Чертежи КМД (деталировочные) разрабатывает завод-изготовитель на основе чертежей КМ с учетом специфики производства данного завода, имеющегося в наличии металлопроката, разбивки конструкций на отправочные узлы. В чертежах КМД приводят также данные о маркировке элементов конструкций.
Для наиболее крупных и важных объектов разработке чертежей КМД предшествует проработка проекта КМ на технологичность изготовления конструкций и их монтажа. В результате этой работы формулируют дополнительные технические требования (ДТТ), которые прилагают к договору, заключенному между заводом-изготовителем и заказчиком (монтажной организацией).
Работу по экспертизе чертежей на технологичность выполняет отдел главного конструктора завода, а для более ответственных объектов - институты, специализирующиеся на вопросах технологии изготовления и монтажа металлоконструкций.
В процессе экспертизы проектов КМ решаются следующие задачи:
1. Снижение металлоемкости конструкций за счет уменьшения их массы, применения более эффективных марок сталей и профилей проката, наиболее полного использования несущей способности металла сварных швов, использования проката стандартных размеров.
2. Снижение трудоемкости, стоимости и сроков изготовления конструкций.
Для этого используют:
максимальную типизацию конструктивных элементов и стандартизацию деталей по нормалям заводов-изготовителей с целью организации так называемого группового запуска деталей в производство (из разных заказов группируются детали по признакам технологического подобия);
перенос наиболее трудоемких операций по сборке и сварке в условиях завода-изготовителя, поставку конструкций крупными блоками с учетом размеров и грузоподъемности транспортных средств;
возможность сборки и сварки наиболее трудоемких операций с проектной отметки вниз, на площадку для укрупнительной сборки;
применение передовой технологии изготовления и монтажа обрабатывающих станков с числовым программным управлением (ЧПУ), автоматических и полуавтоматических сварочных и газорезательных установок, сборки и сварки конструкций в кондукторах, применение на монтаже болтовых соединений вместо сварных, конвейерного и безвыверочного монтажа и т. д.
3. Применение в проектах решений, обеспечивающих получение высококачественных сварных и болтовых соединений, т. е. расположение сварных швов и болтов в местах, удобных для производства работ и контроля качества;
4. Выбор рациональной конструктивной формы сварных соединений, предупреждающей образование больших сварочных напряжений и деформаций, исключающей концентраторы напряжений и снижающей склонность к хрупкому разрушению.
Проектное решение в целом должно обеспечивать надежную эксплуатацию конструкций в течение расчетного срока службы здания или сооружения при максимальных трудовых и денежных затратах на содержание конструкций и текущий ремонт.
Следует отметить, что выполнение всех этих условий в реальных проектах весьма затруднительно вследствие их противоречивости. Однако внесение поправок в проектные решения позволяет в ряде случаев получать существенную экономию материалов и повышать технологичность изготовления конструкций и их монтажа.
Выбор материалов и назначение способов сварки
Все стальные конструкции отнесены к четырем группам в зависимости от степени ответственности и условий эксплуатации.
1. Конструкции, работающие в особо тяжелых условиях или подвергающиеся непосредственному воздействию динамических нагрузок (подкрановые балки; балки рабочих площадок цехов; элементы конструкций бункерных и разгрузочных эстакад, непосредственно воспринимающих нагрузку от подвижных составов; фасонки ферм; пролетные строения и опоры транспортных галерей; специальные опоры больших переходов линий электропередачи высотой более 60 м; элементы оттяжек мачт, оттяжечных узлов и т. п.).
2. Конструкции или их элементы, работающие при статической нагрузке на растяжение, изгиб, изгиб с растяжением (фермы; ригели рам; балки перекрытий и покрытий, лестничные косоуры; опоры линий электропередачи, за исключением опор больших переходов; опоры сборных шин и выключателей открытых распределительных устройств подстанций; элементы комбинированных опор антенных сооружений; трубопроводы ГЭС, насосных станций и т. п.).
3. Конструкции или их элементы, работающие при статической нагрузке на сжатие и сжатие с изгибом (колонны; стойки; опорные плиты, конструкции, поддерживающие технологическое оборудование; опоры открытых распределительных устройств, за исключением опор группы 2; элементы стволов и башен антенных сооружений; прогоны покрытий и т. д.).
4. Вспомогательные конструкции зданий и сооружений (связи; элементы фахверка; лестницы; площадки; ограждения; второстепенные элементы антенных сооружений и т. п.).
В качестве основного критерия, определяющего выбор материала конструкций, принимают стоимостные показатели. Стоимость, в свою очередь, определяют стоимостью металла, изготовления и монтажа
Оптимальная величина этих трех показателей может быть обеспечена в условиях типизации конструкций, т. е. комплекса требований, которым должна быть подчинена конструктивная форма однородных конструкций: была наиболее экономичной по затратам металла, наименее трудоемкой в изготовлении и удобной в монтаже. В основе типизации лежит принцип модульности, т. е. соизмеримость размеров элементов, кратности их определенной величине, называемой модулем.
Унификация объемно-планировочных и конструктивных решений создает условия для резкого сокращения числа типоразмеров конструктивных элементов каркасов зданий и открывает возможность разработки типовых конструкций для многократного применения.
В настоящее время для производственных зданий общего назначения разработаны чертежи типовых колонн, ферм, подкрановых балок, фонарей и вспомогательных конструкций. Применение типовых конструкций резко ускоряет проектирование и изготовление конструкций, снижает стоимость и улучшает их качество.
Нормализация и стандартизация строительных конструкций
Система стандартизации направлена на ускорение научно-технического прогресса, повышение эффективности общественного производства и производительности труда. Поэтому при разработке и утверждении нормативных документов учитывается накопленный передовой опыт в различных отраслях народного хозяйства и за рубежом.
Улучшение качества продукции является не менее важной задачей стандартизации. Требования нормативной документации заставляют предприятия и организации неустанно работать над повышением качества продукции, способствуют освоению новой продукции, освоению новой техники и технологии, углублению специализации производства. Система стандартизации приводит к рациональному использованию производственных фондов, увеличению фондоотдачи, экономии материалов трудовых ресурсов, т. е. к повышению производительности труда. Нормативные документы могут ограничивать или совсем исключать применение устаревших, неэффективных материалов и конструкций, устанавливать прогрессивные допуски и технологию, тем самым способствуя механизации и автоматизации производства.
Одна из основных целей системы стандартизации - обеспечение охраны здоровья, безопасности труда работающих, охраны окружающей среды. Так. например, в области сварочного производства нормативные документы запрещают выпуск сварочных материалов, содержащих вредные для здоровья сварщиков вещества, ограничивают напряжение холостого хода источников сварочного тока и т. д.
Система стандартизации охватывает все сферы народного хозяйства, начиная от планирования, управления, проектирования, научных исследований, унификации, технологии изготовления и эксплуатации продукции, включая строительную, вплоть до стандартизации параметров технологических операций.
В нашей стране применяют следующие виды нормативных документов: стандарты, технические условия (ТУ), строительные нормы и правила (СНиП), правила устанавливаемые органами надзора.
Стандарты, в свою очередь, подразделяются на две категории: государственные стандарты (ГОСТ) и технические условия (ТУ).
Государственные стандарты (ГОСТы) являются обязательными для всех отраслей народного хозяйства. В этих документах установлены нормы, параметры, размеры, требования, правила, показатели технического уровня и качества продукции и другие объекты межотраслевого, общегосударственного применения. В обозначение стандарта входят: индекс, регистрационный номер и год утверждения или пересмотра.
Кроме того, стандарт имеет наименование, в нем оговариваются область применения и сроки действия, указывается срок ввода в действие.
Технические условия (ТУ) утверждает министерство или ведомство, являющееся ведущим в производстве данного вида продукции. ТУ является обязательным для всех организаций и предприятий данной отрасли. ТУ может быть распространен и на другие отрасли, производящие аналогичную продукцию. В этом случае его введение оформляют приказом по данной отрасли. Технические условия имеют обозначения, содержащие индекс, шифр министерства, утвердившего документ, порядковый номер и год утверждения или пересмотра. Например, ТУ 25-895-79. В этом случае цифра 25 - шифр министерства, следующая цифра - регистрационный номер и последняя год утверждения или пересмотра. ТУ устанавливают: требования к продукции, не относящиеся к областям государственной стандартизации; нормы, правила и требования, специфические для отрасли и необходимые для осуществления производственно-технической деятельности предприятий и организаций отрасли.
Для ТУ устанавливают сроки ввода их в действие и время действия, которое может быть как ограниченным, так и не ограниченным. В ряде случаев ТУ согласовываются с другими министерствами или ведомствами.
Большое значение имеет комплексная стандартизация, обеспечивающая взаимосвязь требований, входящих в стандарты, включая проектирование изделия, сборочные единицы, детали, полуфабрикаты, материалы, технологию, а также методы подготовки и организации производства.
Примерами комплексной стандартизации могут служить разработка, утверждение и внедрение единых общегосударственных систем конструкторской документации (ЕСКД), технологической подготовки производства (ЕСТПП), технологической документации (ЕСТД), система подготовки документации для строительства (СПДС).