Под легкими или облегченными конструкциями подразумеваются основные несущие элементы и системы — балки, фермы, колонны, рамы и др., у которых благодаря рациональной конструктивной форме, оптимальным размерам сечений, использованию сталей повышенной и высокой прочности металлоемкость существенно снижена по сравнению с традиционными конструкциями — сварными двутаврами с гибкостью стенки 100 … 120, фермами со стержнями из парных уголков и узловыми фасонками и т. д.
Особо легкими называют такие металлические конструкции, металлоемкость которых сопоставима с расходом стали на арматуру в аналогичных железобетонных конструкциях, приведенным к Ст.З [4, 23]. Однако с начала 1970-х годов под легкими металлическими конструкциями стали подразумевать несущие и ограждающие конструкции в зданиях с пролетами 12 … 30 м без кранов, с подвесным транспортным оборудованием грузоподъемностью до 5 т или мостовыми кранами грузоподъемностью до 20 т. Масса 1 м2 ограждающих конструкций в таких зданиях составляла 30 … 100 кг, при этом суммарный расход металла на несущие и ограждающие конструкции был снижен до 25 … 100 кг.
29 мая 1972 г. ЦК КПСС и Советом /Министров СССР было принято постановление «О развитии производства и комплектной поставки легких металлических конструкций для сооружения промышленных зданий», которое сыграло важную роль в расширении применения металлических конструкций в нашей стране, положило начало созданию новой отрасли промышленного строительства. Последняя основывалась на разработке легких индустриальных металлических конструкций, их заводском поточном изготовлении, комплектной поставке и скоростном монтаже.
Уже построены и строятся новые заводы по производству отдельных несущих и ограждающих элементов или набора таких конструкций для целого производственного здания.
В сентябре 1986 г. Советом Министров СССР принято постановление «О дополнительных мерах по дальнейшему развитию строительства зданий из легких металлических конструкций комплектной поставки». Намечено в 1990 г. довести их годовой выпуск до 16, в 1995 г. — до 25, в 2000 г. — до 35 … 40 млн ма. В годы 12-й пятилетки легкие металлические конструкции широко применялись на различных объектах, причем их номенклатура определялась программой Госстроя СССР «Металл-90».
В системе Минмонтажспецстроя СССР создано Всесоюзное проектное промышленно-строительное объединение Союзлегкон- струкция с региональными промышленно-строительными объединениями по изготовлению и монтажу зданий из легких металлических конструкций комплектной поставки, в том числе зданий- модулей (рис. 1.1). В такое объединение входит предприятие по изготовлению легких несущих, а также легких ограждающих конструкций. Подобные предприятия есть в других ведомствах. Предусматривается разработка и оснащение заводов автоматизированными комплексами по выпуску тонкостенных рамных конструкций с переменным сечением, автоматическими линиями сборосварки ферм из гнутосварных прямоугольных труб, линиями по производству облегченных стеновых и кровельных панелей и др.
Эти постановления, наряду о крупными организационными мероприятиями, наметили меры по созданию новых конструктивных форм легких несущих и ограждающих металлоконструкций, дали импульс творческой инициативе в поисках эффективных конструктивных форм, методов их изготовления и монтажа.
Сборное здание-модуль общего назначений
Под конструктивной формой понимается взаимосвязанность схемы конструкции с ее обоснованными размерами, типами сечения элементов и узловых сопряжений с технологическими приемами и особенностями изготовления, монтажа и эксплуатации.
Использование прогрессивных технологий изготовления, благодаря чему производительность труда повышается в 1,5 … 2 раза, комплектность поставки элементов зданий (включая комплектно-блочные встроенные помещения административного, бытового и инженерного назначения), скоростной монтаж существенно повышают индустриальность строительства, приближают строительную отрасль по уровню технического развития к машиностроению.
Итак, легкие металлические конструкции — это конструкции, высокоэффективные решения которых обеспечивают существенное снижение металлоемкости изделий; приспособленность их для высокомеханизированного поточного изготовления, комплектной поставки и блочных методов монтажа.
Основные характерные черты легких металлических конструкций: малая металлоемкость- существенная, но в разумных пределах, типизация и унификация; стабильность номенклатуры в течение достаточно длительного времени; высокая технологичность и приспособленность для изготовления на поточных автоматизированных линиях (в том числе с микропроцессорным управлением), для транспортировки, а также для конвейерно-блочных и других скоростных методов монтажа; высокая степень заводской готовности; возможность комплектной поставки целых зданий-модулей или их несущих конструкций; благоприятные экспортные возможности. Следствием вышеперечисленных особенностей легких металлических конструкций являются хорошие технико-экономические показатели.
Облегчение конструкций, снижение массы металла достигаются современными прогрессивными приемами.
1. Использование сталей повышенной и высокой прочности (обеспечивает до 60 … 70 % общей экономии металла) влияет на конструктивную форму и методы изготовления конструкций. Нужно искать такие формы, при которых эффект от применения сталей повышенной и высокой прочности будет наибольший.
2. Применение наиболее эффективных видов проката и гнутосварных профилей с максимальной тонкостенностью.
3. Оптимизация основных параметров конструкции и ее отдельных элементов, размеров сечений на базе современных математических методов и применения ЭВМ.
4. Концентрация материала как в основных несущих системах, так и в отдельных ее элементах (концентрация материала позволяет снижать не только расход стали за счет более рационального обеспечения устойчивости, жесткости, выносливости и других свойств конструкции, уменьшения конструктивных коэффициентов, но также трудоемкость изготовления и монтажа).
5. Совмещение функций несущих и ограждающих конструкций в одной системе (позволяет уменьшить ее общую металлоемкость) .
6. Максимальная типизация, унификация и стандартизация конструкций и сооружений в целом (важнейшая предпосылка повышения индустриализации металлических конструкций и использования поточного метода изготовления), переход от типовых элементов к типовым зданиям-модулям.
7. Регулирование напряжений, и в частности предварительным напряжением. Не все методы предварительного напряжения удобны при поточном изготовлении конструкций. Весьма технологичны натяжение тонких листов с целью предотвращения потери местной устойчивости и повышения области упругой работы, а также натяжение высокопрочной затяжки в пределах отправочной марки, регулирование уровня опор в неразрезных системах и др.
8. Использование разворачивающихся конструкций позволяет повысить степень их заводской готовности и уменьшить трудозатраты на укрупнительную сборку при монтаже.
Внедрение в практику указанных приемов уже привело к заметному снижению расхода металла, а в перспективе даст возможность облегчить конструкцию в 1,5 … 2 раза по сравнению с классическими.
При выборе размеров конструкций, технологических приемов изготовления и монтажа следует заботиться не только об экономии металла и уменьшении трудозатрат на изготовление основных конструкций и сопряженных элементов, но и энергии как в процессе строительства, так и в эксплуатации. В качестве примера приводится задача о выборе оптимальной высоты конструкции (балки, фермы). Для анализа используется целевая функция общей стоимости (приведенных затрат) всех элементов
С = См + Ск + Сст + Сэ, (I.I)
где См — стоимость несущих конструкций покрытия; Ск — стоимость колонн в пределах высоты покрытия (если таковые имеются); Сст — стоимость стен в пределах высоты покрытия; Сэ — эксплуатационные затраты на отопление и вентиляцию.
Формула (1.1) для сварной двутавровой балки имеет вид;
где b — шаг балки; Ак— площадь сечения колонны; β — коэффициент, учитывающий долю момента, воспринимаемого поясами;φ⍵, φʄ — строительные коэффициенты соответственно стенки и поясов; Сʄ, С⍵, Ск, Сст, Се, Сэ, — удельные стоимости металла «в деле» соответственно для поясов, стенки балки, колонн; стоимость 1 м2 ограждающих конструкций стен, руб., единовременные и эксплуатационные затраты на возмещение потерь тепла и вентиляцию из расчета на 1 м3 соответственно в руб. и руб. в год; t — расчетный период окупаемости.
Первый член этой формулы (в квадратных скобках) выражает стоимость балки, второй (в квадратных скобках) — затраты на остальные составляющие. Минимум критерия качества может быть найден из условия
дС/дh = 0
Оптимальная высота балки исходя из минимума общей стоимости (приведенных затрат) определяется из уравнения
(1.3)
Аналогичные уравнения составляются и для ферм.
Расчеты свидетельствуют с том, что оптимальная высота балок и ферм, найденная из уравнения (1.3), будет существенно меньше, чем оптимальная высота собственно балки (без учета дополнительных затрат на стены, колонны, отопление и вентиляцию), особенно для районов с суровым климатом. Отсюда следует, что высоту несущих конструкций покрытий, определяемую по условиям жесткости (hr) желательно принимать минимально допустимой. При этом надо заботиться об устройстве отверстий для пропуска различных коммуникаций, располагаемых в покрытиях.
Поточное производство конструкций требует тщательного выбора способа соединений. При изготовлении сплошностенчатых конструкций наиболее эффективной остается электродуговая сварка, производимая с помощью различных автоматов, причем предпочтительнее односторонняя с глубоким проплавлением. В решетчатых конструкциях для замены ручной электродуговой сварки весьма эффективно применение контактной сварки для создания электрозаклепок (при контролировании надежности последних). В монтажных соединениях вместо сварки успешно используют высокопрочные болты в фланцевых соединениях.
Для поточного изготовления к форме конструкций предъявляется ряд требований. Так, конструкция должна легко члениться на постепенно укрупняемые сборочные элементы; габариты укрупняемых элементов не должны препятствовать их перемещению на поточных линиях; число типоразмеров конструкций должно быть минимальным. Большое значение приобретает стремление к упрощению конструктивной формы. Связано это со следующими обстоятельствами. Известно, что масса конструкции G — φcG0 (здесь Go — масса основных элементов; φc — строительный коэффициент массы, учитывающий наличие ребер жесткости, накладок, прокладок, опорных плит, траверс, фасонок, сухарей и т. д.; в фермах этот коэффициент примерно равен 1,20 … 1,30; в балках — 1,10 … 1,20; в колоннах — 1,30 … 1,50).
Аналогично может быть выражена общая трудоемкость изготовления Т —φC.T. То (здесь То —трудоемкость изготовления основных элементов- φст — строительный коэффициент трудоемкости) .
Величины строительных коэффициентов трудоемкости фс. т в 1,2 … 1,5 раза выше соответствующих строительных коэффициентов массы φст Таким образом, уменьшение числа вспомогательных деталей обусловливает сокращение трудозатрат. Кроме того, при отсутствии вспомогательных деталей значительно упрощаются поточные линии, так как исключается необходимость в оборудовании для производства этих деталей. В результате вполне объяснимо появление таких конструкций, как безреберные тонкостенные балки, безфасоночные фермы с непосредственным примыканием стержней друг к другу, колонны с упрощенными базами, состоящими из одной опорной плиты и т. д. При разработке новых легких несущих конструкций необходимо до предела сокращать число вспомогательных деталей, иногда даже идти на увеличение массы основных элементов на величину массы вспомогательных деталей, если это позволит обойтись без последних. Следует анализировать форму вспомогательных деталей, количество их типоразмеров с целью уменьшения трудоемкости изготовления.
Необходимо остановиться и на взаимосвязи решений несущих и ограждающих конструкций. Ограждающие конструкции должны брать на себя функции таких элементов, как связи, прогоны и др. Это позволит избавиться от второстепенных элементов, удельная трудоемкость монтажа которых несравненно выше, чем основных несущих конструкций. По-видимому, если ввести понятие строительного коэффициента трудоемкости монтажа, то он будет значительно больше коэффициента, характеризующего долю вспомогательных конструкций во всей их массе.
Возможности для совершенствования существующих легких несущих конструкций, а тем более для создания новых — неограниченны.