Электросварные строительные конструкции

Электросварные строительные конструкцииЭЛЕКТРОСВАРНЫЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ. Преимущества электрической сварки узловых и стыковых соединений металлических строительных конструкций по сравнению с клепаными соединениями во многих случаях являются чрезвычайно эффективными. Выгодность сварных конструкций сказывается в наибольшей мере в растянутых элементах решетчатых ферм, т. к. поперечные сечения не ослабляются отверстиями для заклепок. Применение сварки для усиления существующих мостов устраняет ручное сверление, которое обходится дорого при производстве работ на месте постройки. В гражданском строительстве большая экономия достигается при сварке конструкций невысоких, по преимуществу одноэтажных зданий, тогда как в многоэтажных зданиях с металлическим каркасом узловые соединения колонн и прогонов оказываются достаточно сложными и ответственными и потому требуют применения дорогих машин на заводе, что повышает стоимость работ. Наконец преимущества сварки сказываются и в том случае, когда приходится вести пристройку или надстройку существующего эксплуатируемого или обитаемого здания, т. к. при этом способе устраняется шум, производимый клепкой.

ERROR_CONTENT

На фиг. 1 представлены две трельяжные решетчатые фермы, рассчитанные для совершенно одинаковых условий нагрузок и пролетов, причем в первой спроектированы сварные узловые соединения, а во второй - клепаные.

Трельяжные решетчатые фермы

Оба пояса сварной конструкции состоят из Н-образных профилей, раскосы - из парных швеллеров, обхватывающих пояса, и к ним приваренных в пределах высоты сечения поясов, а стойки - частью из парных уголков, частью из двутавров, пропущенных внутрь поясов. В клепаной ферме пояса образованы из составных тавровых сечений, причем для придания большей жесткости верхнему сжатому поясу сечение его перекрыто горизонтальным швеллером. Узловые соединения осуществлены обычным путем, с помощью косынок. Из сравнения этих двух вариантов явствует, что нижний растянутый пояс, равно как и растянутые раскосы в клепаной ферме вследствие ослабления заклепочными дырами требуют перерасхода металла против расчетных площадей поперечных сечений, в то время как для тех же элементов сварной фермы этого не нужно. Кроме того в сварной ферме отсутствуют косынки, так как высота пояса достаточна для размещения в ее пределах сварного стыка. Размещение же заклепок в пределах этой высоты очевидно неосуществимо. Полный вес сварной фермы при длине ее в 17,5 м составляет 2270 кг, а вес клепаной фермы - 3090 кг, т. е. экономия от применения электросварки выразилась в 27% веса металла. В некоторых случаях электросварка дает возможность изменить конструкцию т. о., чтобы расположение материала оказалось выгоднейшим в статическом отношении. Так, например, на фиг. 2 изображен схематический продольный разрез 4-этажного здания, построенного в 1929 г. в Кливленде (США).

схематический продольный разрез 4-этажного здания, построенного в 1929 г. в Кливленде (США)

Особенностью этой конструкции является применение неразрезных прогонов длиной 18 м, сваренных посредине здания встык Х-образным соединением. Все колонны были составлены из элементов высотой в один этаж и приварены к балкам. Благодаря этому в пределах каждого этажа сечение колонны точно соответствовало расчетной нагрузке, между тем как в клепаных конструкциях, где колонны пропускаются через несколько этажей, их сечения неизбежно содержат некоторый запас. Неразрезность балок также обусловливает снижение расхода металла, общая экономия которого по сравнению с клепаной конструкцией выразилась в 13%. На фиг. 3 представлены детали узлового соединения колонны с двумя взаимно перпендикулярными балками многоэтажного каркасного здания. Из чертежа видно, что соединение выполнено с помощью обрезка углового железа, на котором укреплена двутавровая балка. Уголок приварен к колонне на заводе, а остальные соединения осуществляются на месте с помощью передвижных умформеров.

Детали узлового соединения колонны с двумя взаимно перпендикулярными балками многоэтажного каркасного здания

Расход рабочей силы при производстве работ с металлическими строительными конструкциями в случае применения электросварки в значительной мере зависит от опытности сварщиков. Нижеследующие опытные данные освещают этот вопрос. В 1921 г. в Питтсбурге (США) электрической компанией Вестингауз была произведена опытная постройка двух совершенно одинаковых трехэтажных складских зданий с металлическим каркасом длиной 75 м и шириной 25 м. В первых двух этажах здание по ширине разбито на 4 пролета, верхний этаж перекрыт одним пролетом.

Одно здание было сооружено обычным способом, т. е. склепано, а в другом все соединения сварены электрической дугой. Работы на обеих постройках начались одновременно и производились в одинаковых условиях. Здание с клепаными конструкциями было выстроено в 97 дней, а со сваренными - в 64 дня. Суммарный расход рабочей силы во втором здании оказался на 1/3 менее, нежели в первом. Равным образом стоимость электроэнергий и прочих расходов по сварке оказалась ниже, чем соответствующие затраты по механическому оборудованию при постройке клепаного здания. Из наиболее крупных построек, где применена электрическая сварка, в США известны следующие:

Наиболее крупные постройки, где применена электрическая сварка в США

Препятствием к развитию метода электросварки в строительстве в СССР вначале являлось недоверие к прочности электросварных стыковых соединений, аналогичное тому, которое наблюдалось в эпоху появления клепаных конструкций, и усугубляемое затруднительностью проверки прочности сварных соединений. Однако в последние годы был дан толчок к решительному переходу на электросварку. Так, по плану строительства 1932 г. в СССР предполагалось из общего количества 580000 тонн металла перевести на электросварку 200000 тонн.

Во всех странах, применяющих электросварку для соединения металлических конструкций, выработаны особые требования, предъявляемые к электросварщикам. Эти требования между прочим заключаются в том, что допускаемый к работе сварщик должен предварительно выполнить определенное количество пробных сварок, которые обязательно подвергаются испытанию на разрыв, причем, например, в США средняя величина временного сопротивления каждой пары этих испытаний не д. б. менее 3150 кг/см2, а наименьшая величина временного сопротивления любого отдельного образца не д. б. менее 2800 кг/см2. Наиболее употребительные виды соединений для электрической сварки показаны в таблице.

Наиболее употребительные виды соединений для электрической сварки

Основным материалом, подлежащим сварке в металлических строительных конструкциях, м. б. торговое железо, сталь 3 и другие сорта стали, употребляющиеся в строительстве, за исключением специальной стали. Наплавленный металл, из которого состоит сварочный шов, и электрод должны удовлетворять особым условиям, в особенности в отношении содержания углерода, которое по американским нормам ограничивается величиной 0,18%. Каждое сварное соединение д. б. рассчитано и проверено на прочность по следующей основной формуле:

Р = F·n = m·λ·n,

где Р - сила, которая воспринимается данным сварным швом, F - расчетное сечение шва, m - высота рабочего сечения, равная наименьшей расчетной толщине сварного шва, λ - длина шва, n - допускаемое напряжение для сварочного шва, регулируемое инструкцией по применению дуговой электросварки в строительстве, составленной Институтом сооружений в 1931 г. По этой инструкции при действии статической нагрузки допускаются следующие напряжения для материала шва в кг/см2 (I - при действии основных нагрузок, II - при совместном действии всех нагрузок):

elektrosvarka tabl3

При действии на сооружение регулярной вибрационной нагрузки, вызывающей перемену знака, допускаемые напряжения для материала сварных швов снижаются на 1/3.

При соединении частей внахлестку (фиг. 4) наименьший размер нахлестки с = 5δ, где δ - толщина соединяемых частей.

Швы сварные лобовые

Швы, изображенные на фиг. 4, называются лобовыми и рассчитываются на растяжение или сжатие, а на фиг. 5 - фланговыми и рассчитываются на срез.

Швы сварные фланговые

Фланговые и лобовые швы предпочтительнее соединений встык. При проектировании сварных конструкций необходимо центрировать усилия, передаваемые сварными соединениями во избежание появления дополнительных напряжений. При действии динамической нагрузки надлежит развивать гл. обр. фланговые швы. При соединении внахлестку не разрешается сваривать соединение одним лобовым швом, а назначать два шва с обеих сторон нахлестки. Экономически более выгодным является соединение, имеющее небольшую высоту шва при большей длине, нежели шов с обратной характеристикой. Однако наибольшая длина флангового шва, которую разрешается вводить в расчет, не должна превышать 25 высот шва. При расчете швов для приварки равнобоких уголков можно принимать (фиг. 6), что λ1 + λ2 = 0,ЗLи λ = 0,7L, где L = λ + λ1 + λ2 - длина всех швов, соответствующая полному действующему усилию. По германским нормам допускаются напряжения на растяжение 850 кг/см2, на сжатие - 1100 кг/см2, изгиб - 850 кг/см2 и срез - 750 кг/см2.

elektrosvarka 6

Метод сварки узловых и стыковых соединений металлических строительных конструкций стимулирует переход к новым усовершенствованным видам профилей в отличие от применяющегося для обычных клепаных систем прокатного сортамента. По условиям процесса горячей прокатки наименьшая толщина полок профильного железа определяется в 4 мм. Кроме того дальнейшему уменьшению этой толщины соответствовала бы необходимость уменьшения диаметра заклепок, что в свою очередь недопустимо, т. к. при нагреве происходило бы сгорание заклепок. Метод электросварки дает возможность конструировать решетчатые металлические фермы из тонкого парсового железа толщиной 1,5—2,5 мм, подвергаемого предварительно холодной прокатке с целью придания ему любой, требуемой по проекту и выгоднейшей в статическом отношении формы, т. е. такой формы, в которой путем перераспределения масс металла получается профиль, обладающий большей устойчивостью при работе на сжатие и большей прочностью при работе на изгиб. Простота процесса холодной прокатки столь тонких профилей, какие применяются для указанной цели, дает возможность образования профиля любых необходимых размеров и любого начертания, благодаря чему конструктор не является связанным определенным сортаментом, как это имеет место при пользовании прокатными профилями. В виду незначительной толщины стенок этого рода конструкций требуется принятие особых мер для предотвращения ржавления. С этой целью в США прокатываемые описанным способом профили подвергаются предварительно процессу гальванизации. На фиг. 7 представлены примеры образования такого рода профилей, спроектированных для поясов металлической стропильной фермы пролетом 15 м.

Примеры образования профилей, спроектированных для поясов металлической стропильной фермы пролетом 15 м

При расстоянии между фермами в 4 м и нагрузке на нее 230 кг/м2 полный вес фермы составляет 440 кг. Такая же ферма, спроектированная из прокатных профилей со сварными соединениями, весит 600 кг, а такая же клепаная ферма весит 810 кг.

Решетчатые сварные фермы - балки, применяемые для образования междуэтажных перекрытий

Решетчатые сварные фермы - балки, применяемые для образования междуэтажных перекрытий

На фиг. 8 и 9 показан другой вид применения описанных конструкций, а именно решетчатые сварные фермы - балки, применяемые для образования междуэтажных перекрытий, не несущих больших временных нагрузок, как например в жилых домах, гостиницах, административных и т. п. зданиях. Эти фермы дают 30—40% экономии по сравнению с металлическими балками сплошных профилей.

ERROR_CONTENT

 

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 26 - 1934 г.

Еще по теме: