Проектирование металлических конструкций

Введение:

 

1. Метало каркас, производство металла,   металлические конструкции.

 

2. Технологический процесс. Изготовление сварных технологических металлических конструкций.

 

3. Элементы технологических металлоконструкций.

 

4. Маркировка сталей

5. Рабочие чертежи металлических конструкций (КМ и КМД)

 

6. Виды сварных соединений.

 

7. Требования, предъявляемые к соединениям металлоконструкций

 

8. Расчет сварных соединений

 

9. Расчёт по допускаемым напряжениям.

 

10. Расчёт по предельным состояниям.
11. Сертификат

 

12. Испытание стали

 

 

 

 

 

2.Метало каркас, производство металла,   металлические конструкции

 

Производство металла, являющегося основой современной  промышленности, по-прежнему остается одной из важнейших народнохозяйственных задач.

Все металлические конструкции  можно условно разделить на строительные и технологические. К строительным металлоконструкциям относят основные несущие элементы зданий и сооружений, выполненные из металла: колонны, фермы, подкрановые балки, связи, рабочие площадки доменных цехов, мосты и т. д. Строительные металлические конструкции изготовляют в основном на заводах металлоконструкций. Монтаж их осуществляют специализированные монтажные организации.

К технологическим металлическим  конструкциям относят такие конструкции, которые неразрывно связаны с  созданием какого-либо технологического процесса. Простота и быстрота изготовления, легкость монтажа обусловливают их широкое применение.

Широкое применение стали  для изготовления технологических  металлоконструкций объясняется такими ценными свойствами как прочность, пластичность, упругость, хорошая свариваемость и быстрота изготовления. Ежегодное увеличение производства стали требует повышения производительности труда на предприятиях и в организациях, изготовляющих технологические металлические конструкции.

Первые металлургические заводы в России были построены в XVIII в. при Петре I на Урале, богатом железными рудами, лесами и дешевой энергией горных рек. Уральский металл благодаря высоким качествам широко применялся в России, а также экспортировался за границу.

На развитие металлургической промышленности в России большое влияние оказали работы русских ученых и практиков. М. В. Ломоносов в 1763, г. написал книгу Первые основания металлургии или рудных дел, которая была первой работой, посвященной русской науке о металлах. Последующее развитие науки о металлах связано с трудами горного инженера П. А. Аносова, явившегося практически зачинателем отечественного производства высококачественной стали.

Много важных открытий сделал выдающийся русский металлург Д. К. Чернов – основоположник новой науки – металлографии. Одно из них – открытие критических точек, соответствующих температурам, при которых происходят превращения в стали при ее нагреве и охлаждении. Он создал стройную теорию кристаллизации металлов, исследовал строение стального слитка.

3.Технологический процесс. Изготовление сварных технологических металлических конструкций.

 

Техническая документация на изготовление технологических  металлоконструкций

 

Основным документом для изготовления технологических металлоконструкций являются рабочие деталировочные чертежи  КМД.

Технология  изготовления металлоконструкций

 

Процесс изготовления технологических  металлоконструкций – очень сложный  процесс, так как на заводах-изготовителях производятся мелкосерийные или чаще индивидуальные технологические металлоконструкции, которые существенно отличаются друг от друга.

Подготовка  металла для изготовления металлоконструкций

 

Металл, как правило, хранят в закрытых помещениях. Однако во многих случаях  большой объем металла складируют и на открытом воздухе. В этом случае металл хранят в штабелях, обеспечивая при этом свободный сток воды с них.

Разметка  и наметка деталей

 

До начала разметочных работ  металл правят, очищают и только после этого подают на разметку. Разметкой называют нанесение мест обработки на металл.

Механическая  обработка металла

 

Резку металла на заводах производят механическими ножницами и пилами, а также автоматическими, полуавтоматическими  и ручными резаками (кислородная  резка).

Сборка  металлоконструкций

 

Сборка металлоконструкций – трудоемкая операция, требующая большой точности, особенно при сборке решетчатых конструкций. Конструкции собирают по деталировочным чертежам КМД или по технологическим  чертежам металлоконструкций на стеллажах или на сборочных стендах.

 

 

 

Приемка сварных металлоконструкций

Приемку сварных технологических  металлоконструкций производят до их грунтовки, чтобы были видны все сварные швы. Грунтовку, выполняемую после приемки металлоконструкций, принимают отдельно.

Контроль  качества изготовления и сборки металлоконструкций

 

Качество изготовленных металлоконструкций в первую очередь зависит от соответствия металла проектным требованиям. Вторым важным фактором является качество применяемой сварочной проволоки, флюса, углекислого газа и других материалов, используемых при изготовлении металлоконструкций.

Грунтовка, окраска и сушка металлоконструкций

 

Процесс изготовления технологических  металлоконструкций неразрывно связан с их защитой от коррозии, возникающих  под действием почвенных вод, жидких и твердых агрессивных сред, технологических газов, паров химических газов и паров химических производств разных отраслей при различных температурно-влажностных условиях.

 

Маркировка  изготовленных металлоконструкций

 

От правильной разбивки конструкций  на отправочные марки зависят  трудоемкость Изготовленные и замаркированные  технологические металлоконструкции отгружают на монтажную площадку. С места изготовления конструкции подают мостовыми кранами или кран-балками на склад готовой продукции. Склады готовой продукции устраивают только при большом объеме работ завода металлоконструкций.

изготовления металлоконструкций и их монтаж.

 

Складирование и отгрузка готовых изделий

 

4.Элементы технологических металлоконструкций.

Эстакады и  галереи

Эстакады – это  открытые сооружения, поддерживающие трубопроводы различного назначения, железнодорожные пути или конвейеры. Эстакады могут соединять несколько цехов, а иногда и заводов.

На металлургических заводах применяют эстакады для  железнодорожных путей. Особенно много  эстакад различного назначения сооружают на современных химических комбинатах. По конструкции эстакады бывают самые различные.

Для трубопроводов большого диаметра применяют отдельно стоящие  железобетонные опоры, на которые опираются  трубопроводы. Такие отдельно стоящие опоры применяют в том случае, если трубопровод может выдерживать в пролете нагрузку от собственного веса.

Для поддерживания нескольких трубопроводов различного диаметра применяют эстакады, в которых  пролет между опорами перекрыт металлическими фермами, обычно двумя, соединенными между собой горизонтальными связями. В узлах ферм, приблизительно через 3 м, устанавливают траверсы, к которым крепятся трубопроводы.

Трубопроводы опираются  на траверсы через «седла». Опоры  «седел» бывают катковые, мертвые, скользящие и шарнирные. Конструкция опор под седла определяется температурными воздействиями. Седла предохраняют трубу от деформаций на опорах.

Катковые опоры дают возможность трубопроводу перемещаться вдоль эстакады. В этом случае под  седло подкладывают круглые металлические катки. Мертвые опоры жестко закрепляют трубу на опорах.

Принцип работы скользящих опор такой же, как и Катковых. В этом случае трубопровод перемещается за счет скольжения. При шарнирных  опорах трубопровод может на них  поворачиваться. На предприятиях металлургической, химической, цементной и других отраслей промышленности для транспортирования сыпучих материалов широко используют галереи.

В большинстве случаев  галереи оборудуются ленточными конвейерами. Галереи имеют большие  пролеты.

Опорами для галерей служат стойки, выполненные из металла или железобетона. Галерея состоит из двух ферм, соединенных между собой балками и связями по верхним и нижним поясам ферм.

В зависимости от назначения галереи бывают теплые или холодные. Продольные стены теплых галерей состоят из железобетонных плит, опирающихся на балки, которые передают вертикальную нагрузку на фермы, или из волнистых асбестоцементных двойных листов с минераловатным утеплителем толщиной 40 мм.

Кровельное покрытие и пол, как у холодных, так и у теплых галерей выполняют из сборного железобетона или металла. Плиты кровельного покрытия опираются на металлические прогоны, уложенные по фермам. Пол, выполненный из сборных железобетонных плит, опирается на балки, подвешенные к фермам. Покрытие и пол утепляют пенобетоном или другим материалом толщиной 100 мм.

Эстакады и галереи  изготовляют отдельными монтажными (отправочными) элементами, полуфермами  или фермами на заводах металлоконструкций или на базах монтажных управлений. Перед подъемом производят укрупнительную сборку элементов исходя из принятых способов монтажа и наличия монтажных механизмов.

Узлы отдельных элементов  соединяют при помощи сварки или  на болтах. В последнее время в  связи с выпуском новых монтажных  кранов большой грузоподъемности (СКГ-40А, СКГ-63, СКГ-100, СКР-2600, СКР-3500) монтаж галерей и эстакад производят полностью собранными на земле пролетами.

Рамы, постаменты, площадки и лестницы

К числу технологических  металлических конструкций относятся  всевозможные рамы под технологическое оборудование. Не следует путать название рама с рамными конструкциями.

Рамой является основание  какого-либо механизма (компрессора, электродвигателя), передающего всю нагрузку на фундамент. В строительстве простейшей рамой  называют две стойки, которые укреплены на фундаментах, а вверху соединены между собой балкой. В большинстве случаев рамы изготовляют из прокатного профильного металла или литыми.

В качестве подставок  под оборудование применяют различные  постаменты. Большинство постаментов  изготовляют из профильного металла в мастерских монтажных управлений. Они состоят из стоек, соединенных свя-зями. В зависимости от устанавливаемого оборудования постаменты имеют различные формы. Постаменты опираются на фундаменты.

Самое широкое распространение  на любом промышленном объекте имеют лестницы и площадки. Без этих несложных металлоконструкций обойтись почти невозможно. Обслуживание оборудования, доступ к любому механизму обеспечивают при помощи лестниц и площадок. Эти элементы почти всегда выполняют из металла, обеспечивающего простоту изготовления и легкий монтаж. Лестницы состоят из косоуров и ступеней.

Косоуры – наклонные несущие элементы, к которым крепятся ступени, делают из уголков, листов или швеллеров. Ступени выполняют из листов или круглого прокатного профиля. Площадки состоят из настила и несущих элементов – балок. К балкам приваривают листовой настил, усиленный ребрами жесткости. Основные несущие элементы (балки) обычно делают из прокатных элементов.

 

5.Маркировка сталей

Для правильного определения марки стали при изготовлении из нее различных металлоконструкций необходима ее маркировка, которую проводят на основании ГОСТ 7566-69.

Маркировку выполняют  клеймением (ручным или машинным), электрографированием, цветным лаком, краской или другими  способами. Маркировка должна быть четкой, прочной и несмываемой.

На продукцию, поставляемую поштучно, клеймо или другой знак наносят  на расстоянии 30-150 мм от конца прутка, листа, полосы или на торце прутка, либо на наружном витке рулона.

На продукцию, поставляемую в связках, пачках или мотках, навешивают две бирки, а на продукцию, поставляемую в связках, мотком или рулоном – одну бирку на моток или рулон и одну на связку мотков и рулонов. Бирки прочно прикрепляют к обвязкам со стороны, удобной для просмотра, или помещают в отдельный карман.

Знак маркировки должен включать следующие элементы:

• клеймо технического контроля предприятия-изготовителя, удостоверяющее годность продукции;
• товарный знак предприятия-изготовителя;
• марку стали или ее условное обозначение с расшифровкой в сертификате;
• номер плавки или ее условное обозначение с расшифровкой в сертификате;
• номер партии;
• дополнительные знаки, предусмотренные стандартами на данную продукцию;
• размер продукции (диаметр, сторона квадрата, толщина, номер профиля).

Сталь, поставляемая согласно ГОСТ 380-71, маркируют несмываемой краской независимо от группы стали и степени раскисления.

 

Применяются следующие расцветки для марок стали:

• Ст0 – красный и зеленый,
• Ст1 – белый и черный,
• Ст2 – желтый,
• Ст3 – красный,
• Ст4 – черный,
• Ст5 – зеленый,
• Ст6 – синий,
• Ст1Гпс – белый и красный,
• Ст2Гсп – желтый и красный,
• Ст3Гпс – красный и синий,
• Ст4Гпс -черный и красный,
• Ст5Гпс – зеленый и белый.

6.Рабочие чертежи металлических конструкций (КМ и КМД)

Технологические металлоконструкции изготовляют по специальным чертежам. Рабочие чертежи металлических конструкций (КМ) входят отдельным разделом в общий комплекс строительных рабочих чертежей объекта. Они разрабатываются на все виды металлических конструкций.   Чертежи КМ выполняются отдельно на строительные металлоконструкции, технологические металлоконструкции и технологическое оборудование. Чертежи КМ должны содержать исчерпывающие данные для разработки рабочих деталировочных чертежей КМД, для разработки проектов производства работ и составления смет.

Рис. 18. Расположение видов  на чертежах КМ и КМД

На чертежах КМ и КМД  виды располагают так, как показано на рис. 18. Над главным видом не ставят никаких надписей; при необходимости  приводят виды сверху, снизу, слева  и справа, над которыми также не ставят надписей. Если виды располагают в отрыве от проекционной связи, т. е. в любом месте чертежа или на другом чертеже указывают виды: «Вид А», «Вид Б» и т. д.     В отличие от машиностроительных чертежей в чертежах металлических конструкций при изображении разрезов и сечений место сечения не заштриховывают. Если в чертежах КМ или КМД проектируются реконструкция, усиление или расширение существующих зданий или сооружений, существующие конструкции изображают тонкими сплошными линиями, а реконструированные – сплошными основными линиями.         Когда чертежи КМ выполняют по проектному заданию, то обозначение разбивочных осей должно соответствовать принятому в проектном задании, а в чертежах КМД – как в чертежах КМ.        При выполнении чертежей КМ стремятся максимально использовать типовые решения отдельных конструкций, узлов и деталей, а также применять действующие ГОСТы, нормали и стандарты.      Для уменьшения объема рабочих чертежей совмещают мало отличающиеся изображения (планы, разрезы, узлы, отдельные элементы) с указанием частей, относящихся не ко всем объединяемым изображениям и размерам.           .

 

 

 7.Виды сварных соединений. Четыре вида сварных соединений: стыковые, угловые, тавровые, внахлестку.

Стыковые соединения разделяют на прямые, расположенные под углом 90° к оси соединяемого элемента, и косые, расположенные под углом менее 90°. При сварке встык, в зависимости от толщины свариваемых деталей, кромки соединяемых элементов обрабатывают согласно ГОСТ 8713-70 для автоматической и полуавтоматической сварки и согласно ГОСТ 5264-69 для ручной сварки.    Для обеспечения хорошего провара кромки под сварку подготавливают на кромкострогальных и торцестрогальных станках, а также с помощью кислородной резки. Обрабатываемую кромку притупляют для предотвращения прожога металла. Лучший провар кромок обеспечивается зазором между соединяемыми листами.  Угловые швы разделяют на фланговые, расположенные параллельно действующему усилию, и лобовые, расположенные перпендикулярно действующему усилию. Кроме того, различают угловые швы сплошные и прерывистые (шпоночные).    В зависимости от положения швов в момент сварки различают швы нижние, потолочные, горизонтальные и вертикальные (рис. 20). Наиболее хорошее качество сварных швов достигается при сварке в нижнем положении. Сварка в потолочном положении наиболее трудоемка, поэтому ее применение нежелательно.

Рис. 20. Сварные швы в момент сварки 1 – нижние; 2 – горизонтальный; 3 –  потолочный; 4 - вертикальный

При соединении металлических конструкций большое  значение имеет правильный выбор  типа электродов. Для защиты свариваемого металла от вредного воздействия  воздуха электроды покрывают  обмазками. Обмазки бывают тонкие (стабилизирующие) и толстые (качественные). Электроды хранят в сухом проветриваемом помещении Отсыревшие электроды перед сваркой прокаливают в сушильных шкафах.        

8.Требования, предъявляемые к соединениям металлоконструкций

Сварные соединения

При конструировании, изготовлении и сборке технологических металлоконструкций необходимо стремиться к тому, чтобы все сварные швы были доступны для сварки в нижнем положении. От этого во многом зависит качество швов.

По возможности  рекомендуется применять автоматическую или полуавтоматическую сварку, особенно там, где сварные швы имеют большую протяженность. Во всех случаях предпочтение отдают тонким сварным швам.

В конструкциях со сварными соединениями следует избегать сосредоточения большого числа сварных  швов в одном месте, чтобы не возникало  концентраторов напряжений.

Разделка кромок металла под сварку назначается  с учетом вида сварки (ручная, полуавтоматическая, автоматическая), условий работы сварного шва, его положения в пространстве, толщины свариваемых элементов, технологии процесса наложения швов, а также имеющегося сварочного оборудования.

Для сварки стальных конструкций следует применять  материалы, соответствующие классу свариваемых сталей, обеспечивающие требуемые свойства сварных соединений и технологию их выполнения: в соответствии со СНиП II-В.3-72.

Необходимо  соблюдать требования, предъявляемые  к сварным соединениям.

Толщина угловых  швов hш должна быть не менее 4 мм (за исключением швов в деталях толщиной менее 4 мм) и не менее 1,2 δ (δ –  наименьшая толщина свариваемых  элементов). В зависимости от толщины свариваемых элементов угловых однопроходных швов необходимо назначать не менее указанных в таблице.

 

 

9.Расчет сварных соединений

В соответствии с инструкцией по проектированию, изготовлению и эксплуатации монтажных  приспособлений, расчет монтажных приспособлений необходимо производить по предельным состояниям.

 

Инструкция  распространяется на все виды монтажных  приспособлений:

• грузоподъемные приспособления – мачты, шевры, стрелы, порталы, ленточные и полиспастные подъемники, подъемные балки и др.;
• грузозахватные приспособления – траверсы, жесткие захваты и все типы канатных стропов, применяемых с указанными выше приспособлениями, а также с монтажными кранами;
• приспособления для временного опирания, закрепления и передвижки по ним монтируемых конструкций и технологического оборудования (а также монтажного оборудования) в процессе монтажа – эстакады, отдельные опоры, стойки, распорки, стеллажи, подкрановые пути, кондукторы и др.;
• монтажные подмости, лестницы и ограждения. Некоторые технологические металлоконструкции из-за отсутствия обоснованных коэффициентов перегрузки приходится рассчитывать по допускаемым напряжениям, что иногда приводит к перерасходу металла.

 

 

 

 

 

 

 

10.Расчёт по допускаемым напряжениям.

1. Анализ расчётных схем №1 и №2.

По заданию необходимо определить допустимые нагрузки для  четырёх расчётных схем. Объектом проекта является сварное соединение, выполнение встык , втавр и внахлёст.

Анализирую  расчётную схему №1.

В задании даны две пластины, заварены встык, швом с полным проваром с усилением, подверженные действию растяжения силы Р.     Под воздействием силы Р на заваренную стыковым швом с полным проваром и усилением двух пластин , возникает только напряжение растяжение. Шов, заваренный с полным проваром и усилением, будет больше по площади и по качеству выше основного металла.

Следовательно, разрушение при критической нагрузке произойдёт по основному металлу.

Анализирую расчётную схему №2.

В задании даны две пластины, заваренные втавр через  вертикальную стенку с полным проваром, подверженные действию растяжению силы Р.

Под воздействием силы Р возникает напряжение растяжения. При этом, как и в расчётной схеме № 1, разрушение при критической нагрузке произойдёт по основному металлу, а не по шву, заведомо более прочному. 
    Следовательно, расчётные схемы №1 и 2 – идентичны.

Вывод: в результате анализа расчёт допустимой нагрузке буду выполнять на растяжение по основному металлу по расчётной схеме №1.

Расчёт допустимой нагрузки на растяжение по допустимым напряжениям, по расчётной схеме №1.

Р = [Ϭ] · F (кг), где

Р — допускаемое нагрузка (по заданию);

[Ϭ] — допускаемое напряжение (кг/мм²);

F – Площадь поперечного сечения на которое действует сила Р.(опасное сечение)( мм²)

Где:

Ϭ_тек – напряжение текучести для основного металла.

Ϭ_тек. - предел текучести (таблица №2) для стали 15ХСНД = 35,0 кг/мм²;

n₃ — коэффициент запаса прочности равен 1,4 — из задания.

 ≈ 25 (кг/мм²);

 

F = δ · b (толщину и ширину беру из задания — δ = 20 мм; b = 650 мм);

F=20*650≈ 13000 (

)

Р=25*13000=325000 (кг)

Допускаемая нагрузка расчётной схемы №1

Р = 325000 кг

2. Анализ расчётных схем №3 и №4.

В задании даны две  пластины, заваренные к вертикальной стенке втавр, находящиеся под воздействием растяжения силы Р.Под воздействием силы Р на заваренные к вертикальной стенке пластине, возникает напряжение растяжения (Ϭ) и напряжение срез (τ). Мне известно, что [τ] = 0,7[Ϭ] кг/мм².Следовательно, быстрее срежется шов, нежели разрыв пойдёт по шву.

Вывод: расчёт по схеме №3 веду на срез металла шва.

Анализирую  расчётную схему №4.

В задании даны две пластины, заваренные нахлёсточным соединением, подверженные растяжении силы Р.Под воздействием силы Р на заваренные нахлёсточным соединением пластины, возникает напряжением растяжением (Ϭ) и напряжением среза [τ], как и в расчётной схеме №3, разрушение при критической нагрузке произойдёт по шву, на срез, нежели на растяжение.

Следовательно, схема №3 и 4 идентичны, так как в обоих случаях расчёт следует производить на растяжение среза [τ].

Вывод: в результате анализа расчётных схем №3 и №4 , расчёт буду выполнять на срез по металлу шва, по расчётной схеме №3.

Расчёт допускаемой  нагрузке на срез по допускаемым напряжениям, по расчётной схеме №3.

Р = [τ] · F, где

Р — допускаемая нагрузка (кг);

[τ] — допускаемое напряжение на срез (кг/мм²);

F – площадь (мм²);

[τ] = 0,7[Ϭ] кг/мм².

 

Так как опасным  сечением является сварной шов, то при  нахождении допускаемого напряжения:

,где

Ϭ_тек. - предел текучести возьму для металла шва (таблица №3) сварочного электрода марки Э-50, Ϭ_тек. = 36 кг/мм²;

n₃ — коэффициент запаса прочности равен 1,4 (из задания).

 

Отсюда: [Ϭ] = кг/мм²;  [τ] = 0,7 · 25,7= 18 кг/мм²;

F =2*( δ · b) (толщину и ширину беру из задания — δ = 20 мм; b = 650 мм);

F = 2*(20 · 650) = 26000 мм³;

Следовательно: Р = 18 · 26000 = 468000 кг.

Допускаемая нагрузка расчётной схемы №3:

Р = 468000 кг

 

11. Расчёт по предельным состояниям.

 

Принципиальное  отличие метода расчёта по предельным состояниям от метода по допускаемым напряжениям состоит в том, что при данном методе расчёта общий коэффициент запаса прочности учитывается тремя коэффициентами: коэффициентом перегрузки n, коэффициентом однородности k и коэффициентом условий работы m.

Более дифференцированный метод учёта общего коэффициента запаса позволяет обоснованней подойти к его определению, учитывая своеобразие условий действия отдельных нагрузок, свойств различных металлов, а также различных условий работы конструкции.

Разделение  одного коэффициента запаса на три  независимых коэффициента позволяет более правильно характеризовать все особенности условий работы данной конструкции (учитывая отдельно особенности нагрузок, металла и условий эксплуатации).

По методическому  указанию я буду брать: коэффициент  нагрузки n = 1,1; коэффициент однородности металла k = 0,85, то есть меньше единицы, а коэффициент запаса не может быть меньше единицы, поэтому в расчёт принимаю, как 1/0,85; коэффициент условий работы m = 1,0.

Коэффициент запаса я нахожу по следующей формуле:

 

n₃ = m · n · k;

n₃ = 1,1 · · 1,0 = 1,3

2.1. Расчёт допускаемой нагрузки, по предельным состояниям по расчётной схеме №1 на растяжение:

 

Р = [Ϭ] · F (кг), где

[Ϭ] – допускаемое напряжение (кг/мм²);

F – площадь сечения (мм²).

 

Ϭ_тек. - предел текучести (таблица №2) для стали 15ХСНД= 35,0 кг/мм²;

n₃ - коэффициент запаса прочности равен 1,3 (из расчётов);

[Ϭ] = кг/мм².

Исходя из выполненных ранее расчётов по допустимым напряжениям F = 13000 мм³.

Следовательно: P = 27 · 13000 = 351000 кг.

 

Допускаемая нагрузка при расчёте по предельному состоянию расчётной схемы №1:

 

Р = 351000 кг

 

 

 

2.2. Расчёт допускаемой нагрузки по предельным состояниям по расчётной схеме №3 на срез.