Слайд 1МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ
Часть 1:
Общие сведения
Секция Металлические конструкции и испытания сооружений
metal@spbgasu.ru
Слайд 3Программа курса МК для бакалавров
Слайд 4Программа лекций по части 1
Общие сведения о металлических конструкциях
История
развития, достоинства и недостатки, области применения, организация проектирования
Общие сведения о
строительных сталях
Классификация, свойства, выбор марки стали для конструкций
Сортамент прокатных профилей
Основы расчета металлических конструкций
Расчет по первой и второй группам предельных состояний
Конструирование и расчет соединений МК
Болтовые и сварные соединения
Балки и балочные клетки
Конструирование и расчет
Слайд 5Учебная литература
Металлические конструкции. В 3 томах. Т.1. Элементы стальных конструкций.
Под редакцией В.В. Горева 2004 г.
2. Кудишин Ю.И., Беленя Е.И.
Металлические конструкции. М. 2006 г.
3. Муханов К.К. Металлические конструкции. М. 1978 г.
4. Москалев Н.С. Пронозин Я.А. Металлические конструкции. М. 2010 г.
Слайд 6Нормативная литература
Основные нормативные документы:
1. СП 16.1330.2011. Стальные конструкции. Актуализированная редакция
СНиП.
2. СНиП II-23-81*. Стальные конструкции. Нормы проектирования (1988 г.)
Слайд 7Дополнительные нормативные документы:
1.СНиП 2.01.07-85. Нагрузки и воздействия 2005 г.
2. СП
16.1330.2011. Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция СНиП.
Нормативная литература
Слайд 8Справочная литература
Металлические конструкции . Справочник проектировщика. В 3 томах. Под
редакцией В.В. Кузнецова 1998 г.
Слайд 92 этапа развития МК:
1 Этап (12-19 в) – «Чугунный» -
характеризуется применением чугуна в конструкциях, поскольку металлургия стали была еще
не развита.
В начале этапа чугун применяется как вспомогательный элемент для каменной кладки (затяжки, скрепы).
Постепенно вместе с освоением процесса литья чугунных стержней и деталей, чугун применяется более широко в виде отдельных элементов и конструкций. Соединения элементов выполняются на замках.
§1.1 Краткая история развития МК
Термин Металлические конструкции (МК) включает в себя 3 вида конструкций:
Слайд 10Казанский собор
Каркас купола Казанского собора пролетом 15.0 м выполнен из
листовых чугунных элементов
Слайд 11Исаакиевский собор
каркас купола Исаакиевского собора - уникальная чугунная конструкция
Слайд 12Мост лейтенанта Шмидта (Благовещенский)
Чугунный арочный мост с пролетами от 32
до 47 метров сооружён в 1843-1850 годах. Автор проекта инженер
С.В. Кербедз
Слайд 13Зимний дворец
Чугунные фермы пролетом до 21 м применены в конструкции
покрытия
Слайд 14Александринский театр
Арочные фермы пролетом 29,8 м с чугунными элементами
Авторы К.
И. Росси и М. E. Кларк в 1829 году впервые
в истории строительства театров покрытие здания выполнили в виде металлических ферм.
Но нашлись люди, и среди них крупные специалисты, усомнившиеся в прочности ферм.
Обиженные недоверием и убежденные в надежности конструкции, зодчие направили письмо следующего содержания: «Как я, так и г. Кларк, отвечаем честью и головой, что от упомянутой крыши не произойдет ни малейшего несчастья и что все устройство будет иметь надлежащую прочность... В случае, когда бы в упомянутом здании от устройства металлических крыш произошло какое-нибудь несчастье, то в пример для других пусть тот же час повесят меня на одной из стропил театра...»
Слайд 15Соединения элементов
Развитие МК на данном этапе сдерживала проблема соединений элементов
конструкций.
Основными типами соединений были соединения на "замках" и болтах.
Слайд 162 Этап развития (с 1830 по н.в.) связан с развитием
металлургии стали и прогрессом в металлообработке. На этом этапе сталь
полностью вытесняет чугун из строительных конструкций. Широкому развитию МК способствовали следующие обстоятельства:
появление заклепочных соединений (1830 г).
развитие проката листов и фасонных профилей (1840 г.).
рост ж/д сети и связанное с этим строительство мостов и вокзальных перекрытий (1900 г.).
открытие электросварки (1940г.), которая позволила делать конструкции более технологичными, легкими и экономичными.
необходимость срочного восстановления промышленности в послевоенные годы (1950 г.). В 1970 году возникает дефицит стали и государство административно ограничивает применение. Например, стальной каркас разрешалось применять в производственных здания пролетом более 24 м и при высоте более 18 м и при грузоподъемности кранов более 50 т. Сейчас эти ограничения сняты и стальные конструкции применяются без каких-либо ограничений.
Олимпиада - 80 в Москве - проектирование и строительству уникальных большепролетных сооружений (78 объектов).
Олимпиада 2014 – Сочи.
Краткая история развития МК
Слайд 18Академик Владимир Григорьевич Шухов
Некоторые из объектов:
Висячие сетчатые покрытия для
Нижегородской выставки (1896)
Гиперплоидная башня в Нижнем Новгороде (1896) первая в
мире.
Арочное покрытие ГУМа в Москве (1910)
Шуховская (Шаболовская) радиобашня в Москве
Покрытие над ж/д платформами Киевского вокзала (1914).
Слайд 19Висячие сетчатые покрытия для Нижегородской выставки (1896)
Перекрываемый пролет до 32
Слайд 20Гиперболоидная башня в Нижнем Новгороде (1896)
Водонапорная башня высотой 25 м
Слайд 21Арочный сетчатый свод покрытия ГУМа в Москве (1896)
Слайд 22Шуховская (Шаболовская) радиобашня в Москве (360 м по проекту, 160
м - по факту) 1922
Слайд 23Киевский вокзал в Москве
Перекрываемый пролет 54 м
Слайд 25Исследователи советского времени
Профессор Стрелецкий Николай Станиславович (1885 -1967) - Большое
значение для практики проектирования и строительства имеют разработанные под его
руководством теоретические основы расчёта строительных конструкций по предельным состояниям (используются в настоящее время).
Д.т.н, Власов Василий Захарович (1906-1958) - всю свою научную жизнь посвятил теории тонкостенных конструкций и написал по этой теме трехтомную монографию.
Профессор Мельников Николай Прокофьевич (1908-1982) - автор более 130 крупных конструкторских работ. С1944 по 1982 руководил трестом "Проектстальконструкция", который впоследствии был переименован и стал носить его имя ЦНИИПСК им. Н.П. Мельникова.
Д.т.н., профессор Беленя Евгений Иванович (1913-1989) Автор одного из самых популярных учебников по МК, которые переиздается уже в 11 раз.
Слайд 26§1.2 Достоинства МК
Непроницаемость для жидкостей и газов - необходимое условие
для изготовления резервуаров, газгольдеров.
Индустриальность изготовления и монтажа – сокращение до
минимума ручного труда.
Ремонтопригодность. Применительно к стальным конструкциям наиболее просто решаются вопросы усиления, технического перевооружения и реконструкции. С помощью сварки можно прикрепить к элементам каркаса новое технологическое оборудование, при необходимости усилив эти элементы.
Возможность вторичного использования (металлический лом).
Слайд 27Коррозия - разрушение металла вследствие химического или электрохимического воздействия с
внешней средой.
Незащищенная от действия влажной среды, а иногда (что
еще хуже) агрессивной среды, сталь коррозирует (окисляется), что постепенно может привести к ее полному разрушению. При неблагоприятных условиях это может произойти за 3-4 года.
Повышение коррозионной стойкости стали достигается следующими способами:
при выплавке - включением в сталь специальных легирующих элементов (атмосферостойкие стали).
периодическим антикоррозионным покрытием конструкций (грунт, краски).
выбором рациональной конструктивной формы (без щелей и пазух, где могут скапливаться влага и пыль).
Небольшая огнестойкость МК имеют относительно низкий предел огнестойкости.
У стали при температуре более 200 С начинает уменьшаться модуль упругости, а при температуре более 600 С сталь переходит в пластическое состояние. Повысить огнестойкость можно путем устранения непосредственного контакта конструкций с огнем – облицовка, покрытие специальными огнезащитными составами.
Перечисленные недостатки при правильном проектировании и эксплуатации не представляют опасности для выполнения конструкцией своих функций, но приводят к некоторому увеличению затрат.
§1.2 Недостатки МК
Слайд 28§1.3 Области применения МК
МК применяются в различных видах зданий и
сооружений, которые в зависимости от конструктивной формы и назначения можно
разделить на несколько видов:
1. Одноэтажные промышленные здания (самый распространенный вид - около 50% МК).
Слайд 30Могут быть одно и многопролетными (с пролетами разной высоты), с
цельнометаллическим и смешанным каркасом. Чаще всего пролеты зданий составляют 24,0-36,0
м, а длина может быть любой.
Производственные здания обычно оборудованы встроенными транспортными средствами (мостовые или подвесные краны, конвейеры).
Слайд 322. Большепролетные покрытия зданий (40-150 м). Применяются в спортивных сооружениях,
рынках, выставочных павильонах, театры, ангары. Конструктивные формы большепролетных конструкций весьма
разнообразны:
Балочные системы
Рамные системы
Слайд 33Арочные покрытия
Купольные покрытия
Висячие покрытия
Слайд 343. Высотные здания – Бурдж Эль-Араб (321 м), Москва-Сити (200
м), Лахта-Центр (462 м)
Слайд 354. Каркасы многоэтажных зданий - для строительства общественных и промышленных
зданий, но есть примеры применения стального каркаса в жилищном строительстве.
Слайд 365. Листовые конструкции (около 20 % от всего объема МК).
В листовых конструкциях очень широко используется свойство МК – непроницаемость.
ЛК чаще всего - оболочки различной формы, предназначенные для хранения и перегрузки жидкостей, газа и сыпучих материалов. По назначению можно выделить три вида листовых конструкций:
резервуары - служат для хранения жидкостей. Применяют резервуары вместительностью до 200 тыс. м3. Конструктивно резервуары могут быть:
горизонтальные цилиндрические,
вертикальные цилиндрические,
сферические.
газгольдеры - предназначены для хранения и выравнивания объема газа. Объем газгольдера может достигать до 600 тыс. м3.
бункера и силосы - предназначены для хранения и перегрузки сыпучих материалов.
Слайд 37Горизонтальные цилиндрические резервуары
Слайд 41- железнодорожных и автомобильных магистралей. Стальным мостам отдают предпочтение при
сжатых сроках возведения. Пролет мостов может достигать до 1 км.
Как и большепролетные покрытия, мосты имеют разнообразные конструктивные схемы: балочные, арочные и висячие. Примеры мостов можно увидеть в СПБ.
6. Мосты и эстакады
Слайд 42антенные устройства (ТВ, радио, телефон) высотой 200-500 м
опоры ЛЭП высотой
до 150 м и более
вытяжные башни (для поддержания стволов дымовых
и вентиляционных труб (80-150 м).
7. Высотные сооружения
Слайд 43конструкции различных кранов (козловые, башенные и мостовые), телескопы, антенны космической
связи, стационарные платформы для разведки и добычи газа и нефти
в море и пр.
Прочие конструкции
Слайд 45Организация проектирования МК
Исходными данными для проектирования является техническое задание, в
котором Заказчик указывает основные параметры объекта.
Проектирование ведется при строгом
соблюдении действующих норм в две стадии:
Проектная документация – Конструкции Металлические (КМ);
Рабочая документация – Конструкции Металлические Деталировка (КМД).
Проектную документацию стадии КМ разрабатывает проектная организация, имеющая допуск СРО. В состав чертежей стадии КМ входят:
пояснительная записка
данные о нагрузках
расчеты конструкций
общие компоновочные чертежи
схемы расположения конструкций с таблицами сечений
чертежи наиболее важных узлов и спецификация стали
После успешного прохождения экспертизы (проверки проектной документации), на основе чертежей КМ разрабатывается рабочая документация - чертежи (КМД). Чаще всего это делается на заводе-изготовителе и с учетом технологических возможностей завода.
Дополнительная литература:
ГОСТ 21.502-2007. "Правила выполнения проектной и рабочей документации МК"
ГОСТ 21.1101-2009. "Основные требования к проектной и рабочей документации"
Абаринов «Составление деталировочных чертежей МК», 1977 г.
Слайд 46Пример чертежа стадии КМ (схема расположения конструкций)
Слайд 47Пример чертежа стадии КМ (геометрическая схема фермы)
Слайд 48Пример чертежа стадии КМД (ферма)
Слайд 49Пример чертежа стадии КМД (балка)
Слайд 503-х мерное информационное моделирование (BIM)
(Tekla Structures, Advance Steel, Revit и
пр.)
Слайд 513-х мерное информационное моделирование (BIM)
(Tekla Structures, Advance Steel, Revit и
пр.)
Слайд 523-х мерное информационное моделирование (BIM)
(Tekla Structures, Advance Steel, Revit и
пр.)
Слайд 533-х мерное информационное моделирование (BIM)
(Tekla Structures, Advance Steel, Revit и
пр.)
Достоинства:
возможность использования при сложных геометрических формах , когда использование традиционных
двухмерных чертежей затруднительно (Лахта-Центр).
возможность многопользовательской работы в одной модели
минимизация ошибок
быстродействие
интеграция с расчетными программами (расчет конструкций)
возможность получения 2-х мерных чертежей (при необходимости)
автоматический подсчет спецификаций
возможность внесения изменений
интеграция с заводами изготовителями МК
возможность использования модели на всех стадиях: проектирование-экспертиза-строительство – эксплуатация- капитальный ремонт - демонтаж
Слайд 54Пригодность к эксплуатации (способность конструкции выполнять свои функции) - основное
требование для проектировщика.
Экономия металла. На металлоемкость завязаны многие показатели: стоимость
стали, изготовление, транспортировка, монтаж, и пр.
Транспортабельность. Должна быть предусмотрена возможность перевозки конструкции на строительную площадку в сборе или по частям (отправочным маркам), соответствующие транспортным средствам по массе и габаритам.
Технологичность. Конструкции должны проектироваться с учетом требований технологии изготовления и монтажа, что позволяет с наименьшей трудоемкостью и в короткие сроки ввести объект в эксплуатацию.
Долговечность конструкций
Эстетичность. Конструкции независимо от их назначения должны обладать гармоничными формами. Особенно актуально это требование для общественных зданий и сооружений.
Основные требования, которые нужно учитывать при проектировании
Основные направления повышения эффективности проектных решений
Использование высокопрочных сталей.
Применение эффективных сечений.
Внедрение современных конструктивных форм (пространственные, предварительно напряженные, висячие, трубчатые и пр. конструкции).
Поиск оптимального конструктивного решения с использованием ЭВМ.
Типизация часто повторяющихся конструктивных элементов. Разработаны типовые решения часто повторяющихся конструктивных элементов – колонн, ферм, подкрановых балок, оконных и фонарных переплетов. В этих типовых решениях унифицированы размеры элементов и сопряжений.
Слайд 56Конструктивные решения олимпийских объектов СОЧИ 2014
Общие требования к олимпийским объектам:
сейсмичность
площадки строительства 9 баллов
первая категория сложности
использование конструкций сборно-разборного типа
применение "зеленых"
стандартов: защита окружающей среды, экономия энергоресурсов
компактное расположение спортивных и инфраструктурных объектов
«Шайба»
«Ледовый дворец
«Большой»
«Ледяной
куб»
«Адлер-Арена»
«Айсберг»
«Фишт»
Слайд 57Чаша Олимпийского Огня
Основная несущая конструкция – пространственная трехгранная ферма, установленная
под углом.
Основной несущий элемент фермы труба диаметром 1220 мм.
Обшивка
- алюминиевые листы.
Высота: 50,0 м
Архитектурная концепция: ЗАО «Строй Интернешнл»;
Конструктивная часть: Фирма «УНИКОН»
Прообраз чаши - »Жар-птица», увенчанная огненным гребнем. Крылья образуют круг диаметром около 100 метров с водоём и цветомузыкальным фонтаном.
Слайд 58Чаша Олимпийского Огня - проектное решение
Слайд 59Чаша Олимпийского Огня - монтаж стального каркаса
Слайд 60Для компенсации ветровых нагрузок были установлены демпферы (настраиваемые инерционные гасители колебаний)
Чаша Олимпийского
Огня - монтаж стального каркаса
Слайд 61Чаша Олимпийского Огня
Установка газовой горелки диаметром 3,5 метра и весом 4500
кг
Слайд 62Чаша Олимпийского Огня - обшивка каркаса алюминиевыми листами
Слайд 64БОЛЬШАЯ ЛЕДОВАЯ АРЕНА ДЛЯ ХОККЕЯ С ШАЙБОЙ
Высота: 48,0 м
Архитектурная концепция:
ООО «НПО Мостовик»;
Конструктивная часть: Фирма «УНИКОН»
Покрытие основного зала решено системой
плоских стропильных ферм пролетом 54-94 м.
Боковые (фасадные) зоны здания арены решены системой фахверковых ферм пролетом от 23,8 до 34,2 м.
Слайд 65Большая ледовая арена – проектное решение
Разрез
План
Слайд 66Большая ледовая арена – контрольная сборка фермы
Слайд 67Большая ледовая арена - монтаж стропильных ферм
Слайд 68Большая ледовая арена – монтаж ферм
Слайд 69Большая ледовая арена – устройство стен
Система фахверковых ферм пролетом от
23 - 34 м
Слайд 70Большая ледовая арена – устройство стен
Система фахверковых ферм пролетом от
23 - 34 м
Слайд 71Большая ледовая арена – монтаж покрытия
Слайд 73Дворец Зимнего Спорта "Айсберг"
Основная несущая конструкция покрытия – купол. Покрытие
состоит из центрального ядра весом более 200 тонн и 36
лучевых ферм. Общий вес покрытия составил более 1900 тонн.
Высота: 37,5м
Архитектурная концепция: ГУП МИИП «Моспроект-4»;
Конструктивная часть: «УНИКОН»
Слайд 74Дворец Зимнего Спорта “Айсберг” – проектное решение
Разрезы
Слайд 75Дворец Зимнего Спорта “Айсберг” – проектное решение
План
Слайд 76Дворец Зимнего Спорта “Айсберг” – монтаж каркаса
Слайд 77Дворец Зимнего Спорта “Айсберг” – монтаж купола
Слайд 78Дворец Зимнего Спорта “Айсберг” – монтаж купола
Слайд 79Дворец Зимнего Спорта “Айсберг” – устройство покрытия
Слайд 80Дворец Зимнего Спорта “Айсберг” – монтаж трибун
Слайд 81Дворец Зимнего Спорта “Айсберг” – монтаж трибун
Слайд 83Олимпийский стадион «Фишт»
Конструктивная схема трибун и
подтрибунной части здания — каркасная. Материал каркаса: монолитный железобетон, металлоконструкции,
сборно-разборные железобетонные конструкции.
Ядра жесткости — монолитные железобетонные конструкции в форме лестнично-лифтовых блоков.
Высота: 70,0 м
Архитектурная концепция: Архитектурное бюро Populous, Моспроект-4, Botta Management Group, ЗАО «Объединение Ингеоком»;
Конструктивная часть: Фирма «УНИКОН»
Слайд 84Олимпийский стадион «Фишт» - проектное решение
План
Слайд 85Олимпийский стадион «Фишт» - проектное решение
Модель
Слайд 86Олимпийский стадион «Фишт» -
устройство каркаса и трибун
Слайд 87Олимпийский стадион «Фишт» - монтаж навеса
Навес состоит из двух частей,
каждая из которых поддерживается аркой в форме бумеранга с длиной
дуги около 280 м
Слайд 88Олимпийский стадион «Фишт» - монтаж купола
Слайд 89Олимпийский стадион «Фишт» - конструкция купола
Стальные
конструкции покрытия состоят из четырех структурных компонентов: основных арок, второстепенных
поддерживающих ферм, третьестепенных ферм и подконструкций оболочки покрытия.
Каждый свод основных арок состоит из четырех стальных направляющих коробчатого сечения, связанных в фермы «шнуровкой» раскосов.
Второстепенные фермы, расположенные перпендикулярно к основным аркам, построены из двух элементов: поддерживающих ферм и колонн рам. Второстепенные фермы поддерживают фермы главных арок и определяют раковинообразную форму покрытия. Они проектируются из стальных профилей коробчатого сечения.
Третьестепенные фермы, расположенные параллельно основным аркам и перпендикулярно к второстепенным фермам, несут поддерживающую структуру облицовки и обшивки покрытия.
Подконструкция облицовки навесов состоит из серии прогонов, расположенных перпендикулярно к главным аркам в полярной сетке, определяющей однонаправленные шаблоны оболочки.
Слайд 90Олимпийский стадион «Фишт» - монтаж арок купола
Слайд 91Олимпийский стадион «Фишт» - устройство кровли
Купол покрыт ячейками поликарбонатных плит
Слайд 92Олимпийский стадион «Фишт» - устройство кровли
Слайд 94Ледовая арена «Шайба»
Покрытие состоит из
металлических ферм. Пролёт восьми из них составил более 70 метров.
Металлические конструкции покрытия закрываются профилированным настилом – выполнена современная мембранная кровля.
Фасад «Шайбы» состоит из двух оболочек – основной и декоративной. Основными ограждающими конструкциями здания являются трёхслойные навесные сэндвич-панели.
Высота: 22,8 м
Архитектурная концепция: ОАО «ЦНИИПромзданий», «STAHLBAU PICHLER»;
Конструктивная часть: ООО «УГМК-Холдинг»,
Слайд 95Разрез
Ледовая арена «Шайба» - проектное решение
План
Слайд 96Ледовая арена «Шайба» - монтаж каркаса
Слайд 97Ледовая арена «Шайба» - монтаж каркаса
Слайд 98Ледовая арена «Шайба» - монтаж купола
Слайд 99Ледовая арена «Шайба» - установка трибун
Слайд 101Кёрлинговый центр «Ледяной куб»
Самый миниатюрный спортивный объект
в Олимпийском парке.
Общая масса конструкций арены
— 1148 тонн.
Дизайн отличается лаконичностью, в то же время в нем прослеживается нотка торжественности.
Высота: 19,0 м
Архитектурная концепция: «STAHLBAU PICHLER»;
Конструктивная часть: ОАО «ИСК Славобласть»;
Слайд 102Кёрлинговый центр «Ледяной куб» - проектное решение
Слайд 103Кёрлинговый центр «Ледяной куб» -
монтаж рамных конструкций каркаса
Слайд 104Кёрлинговый центр «Ледяной куб» - устройство крыши
Слайд 105Кёрлинговый центр «Ледяной куб» - остекление фасада
Слайд 107Конькобежный центр «Адлер-Арена»
Представляет собой крытый овальный стадион
с двумя соревновательными дорожками и одной тренировочной.
Использованы
современных легких металлических конструкций для покрытия ледового овала и создания наружной оболочки здания.
Высота: 24,7 м
Архитектурная концепция: ЗАО «Строй Интернейшнл»;
Конструктивная часть: ОАО «ЦПТСККк Омега»;
Слайд 108Конькобежный центр «Адлер-Арена» -
планировочное решение
Слайд 109Конькобежный центр «Адлер-Арена» - монтаж каркаса
Слайд 110Конькобежный центр «Адлер-Арена» - монтаж ферм
Основной пролет перекрыт фермами с
верхним поясом из труб 1420х20мм, нижний пояс – из сварного
двутавра
Слайд 111Конькобежный центр «Адлер-Арена» -
монтаж фасадной подсистемы
