1.3. Основні принципи проектування металевих конструкцій

Основним принципом проектування є досягнення трьох головних показників: економії сталі, підвищення продуктивності праці, зниження трудомісткості та строків монтажу.

Типізація – зведення виробництва різноманітних виробів, конструкцій, технологічних процесів і т.ін. до невеликої кількості вибраних типів.

Уніфікація – приведення чого-небудь до однієї системи або форми.

Стандартизація: 1) зведення безлічі видів конструкцій до невеликої кількості типових для раціональної організації виробництва; 2) введення єдиних обов’язкових норм та вимог на готову продукцію.

1.4. Організація проектування металевих конструкцій

Проектування МК здійснюється в дві стадії:

1. проектне завдання, в якому визначається доцільність використання МК і установлюється принципова конструктивна схема;

2. робочі креслення, які поділяються на проект КМ (конструкції металеві) та проект КМД (конструкції металеві, деталювання).

Проект КМ виконується спеціалізованою проектною організацією і містить статичні і динамічні розрахунки, загальні компоновочні креслення та рішення вузлових з’єднань, зведену специфікацію на метал (профілі, марки сталі, маси). Проект КМ є основою для складання креслень КМД.

Проект КМД розробляється в конструкторських відділах заводів металевих конструкцій з врахуванням технологічних можливостей заводу. Він містить всі необхідні дані для виготовлення і монтажу конструкцій.

Важливу роль в забезпеченні якості проектування грає дотримування правил розробки та оформлення робочих креслень. Для уніфікації системи проектної документації розроблені стандарти Єдиної системи конструкторської документації (ЄСКД).

1.5. Матеріали для металевих конструкцій Сталі. Склад сталей

Для виготовлення металевих конструкцій застосовують будівельні сталі та алюмінієві сплави.

Сталь – це сплав заліза з вуглецем, незначною кількістю шкідливих домішок (які попадають з руди або утворюються в процесі виплавлення) та легуючими додатками (які вводять для покращення властивостей сталі – хром, нікель, мідь, вольфрам, молібден та ін.).

Шкідливими домішками є сірка, фосфор, азот та кисень, який попадає з повітря під час виплавлення. Найбільш шкідливими є сірка та фосфор.

Сірка надає сталі червоноламкості, тобто підвищує крихкість і спричиняє утворення тріщин при високій температурі (t = 800…1000°С). Фосфор знижує пластичність і ударну в’язкість сталі та надає холодноламкості, тобто зумовлює утворення тріщин при низьких температурах. У зв’язку з цим вміст сірки та фосфору в сталі повинен бути обмеженим:

вміст сірки – не більше 0,05%;

вміст фосфору – не більше 0,04%.

Залежно від наявності легуючих додатків сталі поділяють на:

- вуглецеві сталі (без легуючих додатків);

- леговані сталі (з легуючими додатками).

Леговані сталі отримують з вуглецевих, вводячи легуючі додатки.

Вуглецеві сталі залежно від вмісту вуглецю (в % за масою) поділяють на три групи:

1. маловуглецеві (0,1…0,22% вуглецю) – використовують в будівельних конструкціях;

2. середньовуглецеві (0,25…0,5% вуглецю) – використовують в машинобудуванні;

3. високовуглецеві (0,6…1,2% вуглецю) – використовують в інструментальній промисловості.

Маловуглецева сталь має високу пластичність, хорошу здатність до зварювання, в неї відсутні тенденції до крихкого руйнування, що в повній мірі відповідає високим вимогам до сталей будівельних конструкцій. Підвищений вміст вуглецю (2 і 3 групи) хоча і збільшує міцність сталі, але одночасно робить її крихкішою і менш здатною до зварювання. Тому в будівельних конструкціях використовується лише маловуглецева сталь.

Леговані сталі залежно від сумарного вмісту легуючих додатків (в % за масою) поділяють на три групи:

1. низьколеговані (до 2,5% легуючих додатків);

2. середньолеговані (2,6…10%);

3. високолеговані (більше 10%).

В будівельних конструкціях використовують тільки низьколеговані сталі.

Маловуглецеві та низьколеговані сталі, які використовують в будівельних конструкціях, мають загальну назву – будівельні сталі.

Класифікація сталей

Будівельні сталі класифікують за механічними властивостями, за марками, за способами виробництва, за ступенем розкислювання та іншими ознаками.

За способами виробництва сталі бувають: мартенівські; конвертерні; електросталі.

За ступенем розкислювання сталі поділяють на: киплячі (кп); спокійні (сп); напівспокійні (пс).

Після того, як сталь виплавлена, її розливають спочатку в ковші, а потім у виливниці, де процес кипіння ще деякий час продовжується. Це кипіння супроводжується бурхливим виділенням газів (кисню), внаслідок чого сталь при охолодженні стає загазованою, неоднорідною, з великою кількістю пор і шлакових включень. Така сталь називається киплячою. Внаслідок низької якості застосування киплячої сталі в МК обмежується.

Якщо до розлитої в ковші сталі додати так звані розкислювачі (кремній, алюміній), то ці елементи, з’єднуючись з розчиненим в сталі киснем, зменшують його шкідливий вплив. Такий процес називається розкислюванням сталі. При розкислюванні сталь охолоджується спокійно, тому її називають спокійною. Вона має дрібнозернисту й більш однорідну структуру, краще зварюється, чинить опір динамічним навантаженням та крихкому руйнуванню, але стає дорожчою приблизно на 12%.

Проміжне положення за властивостями та вартістю між спокійною та киплячою сталлю займає напівспокійна сталь, в яку додають менше розкислювачів.

Маловуглецева сталь випускається спокійною, напівспокійною та киплячою; низьколеговані – в основному спокійною (окремі марки – напівспокійною).

Маловуглецеві сталі залежно від призначення поділяють на три групи постачання:

група А – гарантуються механічні властивості;

група Б – гарантується хімічний склад;

група В – гарантуються механічні властивості та хімічний склад.

Для несучих МК використовують тільки сталь групи В. Для нерозрахункових зварних елементів можна застосовувати сталь групи Б.

Сталь – це сплав заліза з вуглецем, процентний вміст якого завдяки особливій обробці зменшується до кількості, що не перевищує 1,2%. Основною сировиною для отримання сталі є білий чавун (існує білий і сірий чавун, білий – більш якісний, мілкозернистий), металобрухт та стальний скрап.

Найбільш розповсюджений спосіб отримання сталі – в мартенівських печах.

Конвертерний спосіб отримання сталі полягає в продувці через розплавлений чавун гарячої суміші повітря з киснем під тиском (подається з дна ванни). В результаті в розплавленому чавуні згоряє вуглець і шкідливі домішки. Залежно від складу внутрішньої вогнетривкої обкладки конвертера спосіб називається бессемерівським або томасівським. Для будівельних конструкцій використовується лише бессемерівський спосіб.

Найбільш якісна сталь отримується в спеціальних електропечах (але одночасно і найбільш дорога). Максимальна температура ~2200°С досягається за допомогою електродуги, що виникає між двома вугільними електродами. Переваги способу в тому, що в розплавлений метал не попадають шкідливі елементи з повітря і газу, як це має місце в перших двох способах.