Внедрение новых эффективных стальных конструкций

Категория:
Экономия металлопроката


Внедрение новых эффективных стальных конструкций

Одним из резервов экономии стали в строительстве является совершенствование конструктивных форм строительных стальных конструкций за счет разработки и внедрения в производство эффективных решений конструкций массового применения. Экономия стали при этом достигается за счет сокращения расхода на технологическую оснастку и совершенствование заказа металла мерных длин и соответственно улучшения раскроя металла, увеличения объемов использования высокоэффективных марок сталей и профилей и, наконец эффективного использования материала в конструкции.

Работа в этом направлении на заводах объединения ведется давно, около 20 лет. Начата она была на Челябинском заводе с конструкций массового применения для промышленных зданий. К ним относятся фермы покрытий, мачтовые опоры, стальные колонны, оконные переплеты и др. ‘

Изменение схемы связей ферм покрытий. Многие годы схема расположения связей по верхнему поясу ферм выполнялась в виде крестовой решетки из уголков (рис. 1,а). Такая схема предусматривала, что при переменной ветровой и динамической нагрузках работает только один элемент крестовой решетки на растяжение, а второй вообще не нагружен, т. е. работает постоянно только 50% элементов. Это приводило к нерациональному использованию металла в конструкциях связей.

Рис. 1. Система связей покрытий а — крестовая схема; б — треугольная схема

Учитывая это, была предложена треугольная схема, при которой количество типов элементов сократилось втрое. В результате была ликвидирована необходимость в установке распорок, а расход металла с применением замкнутых холодногнутых профилей сократился на 30—40% (рис. 1,6). При такой схеме раскосы работают как на сжатие, так и на растяжение. Кроме того, с уменьшением числа элементов в 2 раза значительно упростился монтаж таких связей.

На рис. 2 показаны конструктивные решения узлов для распорок и растяжек при расчетном усилии от —4905 до -f-78456 Н. Для раскосов и распорок с усилием 93166,5 Н и более необходимо применять фасонку, врезанную в замкнутый профиль, и усиливать ее ребром. Наиболее эффективны связи со сплюснутыми концами.

Фермы покрытий с поясами из широкополочных двутавров. Совершенствование стальных конструкций для покрытий производственных зданий требует, как известно, применения эффективных профилей проката. Исследования ВНИКТИстальконструкция и зарубежный опыт свидетельствуют о том, что рационально использовать широкополочные двутавры, выпускаемые Нижнетагильским металлургическим комбинатом, можно, в частности, в поясных элементах стропильных ферм.

Сочетание широкополочных двутавров с прямоугольными гнутосварными профилями в качестве элементов решетки снижает расход металла по сравнению с конструкциями из парных уголков на 10—20%, по сравнению с фермами, пояса которых выполнены из широкополочных тавров, а решетка — из парных уголков — на 5—10%. Указанное уменьшение расхода металла достигается в зависимости от величины пролета и принятых нагрузок. Область выгодного применения этих конструкций может быть расширена при организации прокатки широкополочных двутавров меньших номеров (№ 18, 16, 14). Уменьшение номеров двутавров позволило бы использовать балочные профили также и в решетке ферм. Снижение металлоемкости рассматриваемых конструкций достигается благодаря применению профилей с оптимальными геометрическими характеристиками и осуществлению бесфасоночных узловых соединений. Наряду с этим вдвое уменьшается (по сравнению с фермами из парных уголков) число основных элементов. Значительное сокращение количества вспомогательных деталей и объема наплавленного металла приводят к снижению трудоемкости изготовления таких конструкций в 1,5—2 раза (рис. 3).

Рис. 2. Узлы связей покрытий из гнутосварных профилей прямоугольного сечения а — сплющенный; б — для распорок и растяжек с усилием от минус 5 до 8000 Н; в — для раскосов и распорок усилием 9500 Н

Рис. 3. Ферма с поясами из широкополочных двутавров 1 — верхний пояс; 2 — раскосы; 3 — стойка; 4 — нижний пояс; 5 — фланец

Унификация конструкций мачтовых опор. В общем объеме несущих конструкций опор объектов связи конструкций мачтового типа составили около 80%. Из-за большого разнообразия конструктивных решений геометрических схем, сечений элементов конструкций, деталей узлов и индивидуального крепления технологического оборудования существовавшее положение исключало возможность создания высокомеханизированного и специализированного их производства.

В 1973 г. были проведены работы по унификации мачт высотой от 100 до 240 м (рис. 4). В результате удалось принять единые геометрические размеры для всех секций мачт, значительно сократить применяемый сортамент труб и проката, исключить индивидуальные крепления технологического оборудования, в несколько раз сократить количество различных отправочных секций марок в пределах одной мачты, а следовательно, увеличить повторяемость и серийность, разработать единые чертежи КМД стандартных конструкций секций мачт, которые можно применять для любого объекта.

Преимущества разработанных унифицированных конструкций позволили сократить сроки разработки технической документации, снизить трудоемкость изготовления и повысить качество конструкций за счет создания единой технологической оснастки, большой повторяемости элементов, уменьшения количества деталей и повышения технологичности конструктивных решений, сократить номенклатуру и резервные запасы металлопроката. Кроме того, за счет добавления одного яруса оттяжек в унифицированных решениях мачт удалось снизить массу по сравнению с ранее действовавшими решениями на 25—30%. Снижение массы конструкций мачт при унифицированном варианте явилось следствием совместной работы проектировщиков и технологов-радистов при совершенствовании несущих конструкций.

Рис. 4. Схема мачты
Рис. 5. Секции мачты а — опорная; б — рядовая; б — лацменная

На рис. 5 показаны экскизы опорной, рядовой и лацменной (оттяжечной) секций, из которых можно собрать любую мачту этого класса. Принятые геометрические схемы секций, минимально возможное количество сборочных марок и деталей в секциях, а также технологичность обработки деталей с учетом имеющихся на заводе специальных газорезательных машин для фигурной резки труб, свидетельствуют о высокой технологичности конструкций на всех операциях. В отличие от опорных секций в ранее применяемых проектах, разработанная конструкция предельно проста, здесь нормальная сила передается непосредственно на фундаменты через опорные башмаки поясов мачты, требующие механической обработки.

Рядовая секция имеет всего пять сборочных марок основных деталей. Максимальное число технологических операций для обработки любой детали не превышает двух, а такие детали, как трубы поясов, раскосы и средние распорки обрабатывают за одну операцию. Конструктивные решения секции технологичны также в сборке и сварке.

Лацменная секция отличается от рядовой дополнительными фланцами из листовой стали большой толщины с заранее просверленными отверстиями для последующей установки валиков — цапф, к которым крепят оттяжки.

Создание унифицированных конструкций мачт позволило резко снизить объемы проектно-конструкторских работ и организовать специализированное производство на Нижнеисетском заводе металлоконструкций, при котором резко повысилась производительность труда и качество изготовления конструкций мачт.

Изменения отметки верха фундаментов под стальные колонны. Проведенные исследования, а также изучение зарубежного опыта строительства в США, Японии и ФРГ показали целесообразность повышения верха фундаментов под стальные колонны производственных зданий до отметки минус 0,05 м, вместо принятой ранее в типовых решениях отметки минус 0,70 м (рис. 6). Установление верха фундаментов на отметке минус 0,05 м (одинаковой для стальных и железобетонных колонн) позволило строителям до начала монтажа каркаса здания выполнить подсыпку пазух фундаментов и закончить в основном подготовку пола, что создало благоприятные условия для монтажа конструкций каркаса зданий, повысило маневренность транспортных средств и кранового оборудования, используемых для монтажа конструций и оборудования, качество установки, выверки и подливки стальных опорных плит колонн и позволило сократить массу колонн. При ежегодном изготовлении стальных колонн производственных зданий в объеме 250—300 тыс. т снижение расхода металла составляет 10—12 тыс. т. За счет уменьшения глубины котлована обеспечивается значительное уменьшение объема земляных работ.

Рис. 6. Установка колонн на фундамент а — фундамент в котловане с заглублением опирания колонны на —0,7 м; б — установка колонны после неполной засыпки котлована с заглублением опирания колонны на —0,7 м; в — фундамент в котловане с заглублением опирания колонны на —0,05 м; г — установка колонны на —0,05 после подготовки черного пола; 1 — колонна; 2 — насыпной грунт

Рис. 7. Совершенствование конструкции базы колонны а — типовое решение до 1975 г.; б — новое решение

Совершенствование конструкции базы колонны. Существенная экономия металлопроката достигается в результате совершенствования конструктивных форм. Это наглядно видно на примере изменения конструкции базы колонн. База является весьма ответственной и в то же время сложной и трудоемкой частью колонны, поэтому конструктивное решение этого узла существенно влияет не только на общую трудоемкость изготовления колонны, но и на расход металлопроката.

На рис. 7 показано существовавшее типовое решение базы до 1975 г. и новое решение; значительно снижающее трудоемкость и массу башмака. Отношение массы конструкции базы колонны при новом решении к массе конструкций при типовом решении до 1975 г. составляет всего лишь 59%. При этом объем наплавленного металла уменьшился более чем в 3 раза, а количество деталей сократилось с 13 до 5.

Освоение и совершенствование конструкции окон из спаренных прямоугольных труб. В 1967 г. было организовано специализированное высокомеханизированное предприятие (Златоустовский завод металлоконструкций) по выпуску оконных панелей из специально освоенных заводами Минчермета горячекатаных профилей. Объем выпуска заводом таких панелей составлял до 46 тыс. т. Большие работы были проведены заводом совместно с ЦНИИпроектстальконструкцией и ЦНИИ-промзданий по совершенствованию оконных панелей с целью снижения расхода металла и трудоемкости.

Выпускаемые панели стали более технологичными при изготовлении и монтаже, имели простые узлы крепления стекла. Однако был существенный недостаток, который объясняется плохими теплотехническими свойствами, высоким расходом металла на 1 м2 остекления и несоответствием современной эстетике. В 70-х годах заводом «Электрощит» был освоен выпуск оконных переплетов из спаренных прямоугольных труб серии окон 1.436-6 и 1.436-9, которые положительно зарекомендовали себя в эксплуатации на Волжском и Камском автозаводах.

Таким образом, Златоустовский завод металлоконструкций (ЗМК), являясь по производственным показателям передовым предприятием, выпускал морально устаревшую продукцию, что и послужило поводом к обоснованию решения о реконструкции завода. Проведенные экономические расчеты показали, что если за базу принять технологию изготовления переплетов, принятую на заводе «Электрощит», то прибыль и уровень рентабельности после реконструкции завода снизятся. В связи с этим перед ВНИКТИстальконструкцией и ЦНИИпромзданием была поставлена задача — усовершенствовать конструкцию, разработать технологию переплетов, обеспечивающую рост основных технико-экономических показателей.

При совершенствовании конструкции окон по сравнению с решениями по типовым сериям 1.436-6 и” 1.436-9 было достигнуто снижение расхода стали в среднем на 15%, улучшены теплотехнические свойства, разработана новая герметизация стыков между переплетом и стеной, уменьшена номенклатура переплетов, расширена их область применения. Была разработана документация на окна двух новых серий: 1.436-2-15 и 1.436-2-11. Окна этих серий предназначены для применения в производственных зданиях промышленных предприятий с нормальными температурно-влажностными условиями и неагрессивной средой.

Переплеты окон унифицированы и их конструкции не зависят от фрамуг, остекления и приборов открывания. Остекление выполнено одинарным и двойным из стеклопакетов заводского изготовления или двух стекол. Для ручного открывания окон используются приборы двух типов: прибор-стержень для открывания фрамуг первого яруса и прибор рычажный для открывания второго и третьего ярусов окон.

Элементы переплета выполнены из специального сварного двутаврового профиля с полыми полками из прямоугольных труб размером 28X25X1,8 мм, соединенных лентой размером 14X1.8 мм.

Соединение труб с лентой выполнено точечной сваркой в шахматном порядке. Пазы двутаврового профиля позволяют надежно крепить остекление, обеспечить плотность притворов, значительно уменьшить теплопотери через переплет и надежно закрепить переплет к конструкциям стены. Крепление стекол и стеклопакетов производится с помощью двух резиновых профилей, устанавливаемых по периметру в пазы переплета и фрамуг. Уплотнение притворов фрамуг производится резиновыми профилями и стальными накладками.

При разработке проекта реконструкции Злато-устовского ЗМК была принята следующая технология:
резка рулонной стали па ленты на специальной автоматической линии; – изготовление профильных труб на трубоэлектросва-рочном стане в специальном исполнении; – сборка и сварка оконного профиля на специальной линии; – резка оконного, профиля на отрезных автоматах абразивным кругом; – сборка и сварка переплетов в специальном агрегате; грунтование и окрашивание переплетов — методом струйного облива.

Рис. 8. Оконные профили а – составного сечения; б – образованного методом непрерывной формовки

Проводимые совместные поиски и исследования институтов н завода по выявлению возможности производства видоизмененного профиля из одной ленты методом

непрерывной формовки и высокочастотной сварки в трубосварочном агрегате позволили разработать менее металлоемкий профиль размером 58X26X1.8 мм (рис. 8) и технологию его изготовления.

Размеры сечения профиля были выбраны по конструктивным соображениям: высота профиля (как минимально допустимая) — в соответствии с габаритами резинового профиля, используемого для крепления стекло-пакета; ширина — в соответствии с посадочными размерами резиновых профилей. Проведенные расчеты на прочность и устойчивость окон с переплетами из профиля уменьшенного сечения подтвердили возможность снижения высоты сечения профиля. С целью дальнейшего сокращения расхода металла на изготовление оконного профиля, повышения коррозионной стойкости оконных переплетов, а также улучшения теплотехнических характеристик переплета была продолжена работа по исследованию технологии непрерывной формовки и высокочастотной сварки оконного профиля из оцинкованной стали толщиной 1,2 мм.

В результате экономический эффект от внедрения разработанной технологии изготовления оконного профиля размером 58X26X1.8 мм на Златоустовском ЗМК взамен технологии, заложенной в техно-рабочий проект реконструкции завода составил 1 млн. 350 тыс. руб.; условное высвобождение основных и вспомогательных рабочих — 79 чел.; экономия металла — 3000 т.

Переход в дальнейшем на изготовление профиля с сечением стенки 1,2 мм позволит получить дополнительный эффект в сумме 640 тыс. руб.; условное высвобождение рабочих — 11 чел. и экономию металла — 7000 т.

Производство стропов из стальных канатов. Несмотря на большую потребность канатных стропов в строительном производстве, долгие годы их изготовление осуществлялось в каждой организации кустарно.

Наиболее распространенными способами изготовления строп являются: заплетка с последующей обмоткой проволокой; гильзоклиновые соединения; втулочное соединение обкаткой коликами, продавливанием через волок, с поперечной опрессовкой их в штампе. Все перечисленные способы, за исключением способа поперечной опрессовки, имеют существенные недостатки. Так, например, при изготовлении стропов способом заплетки one-рации выполняются вручную, исключается применение средств малой механизации, нерационально расходуется канат на заделку (на заплетание и обрубку концов одного стропа отходы каната в среднем составляют 1 м), снижается производительность труда и, как следствие, повышается себестоимость изготовления изделий; для обеспечения требуемого качества работ и гарантирования прочности соединения применяется труд высококвалифицированных рабочих; нарушается целостность поперечного сечения каната, что обусловливает неравномерность нагружения отдельных прядей и снижает разрывное усилие каната в целом. Опыт изготовления и применения стропов подтвердил большие преимущества конструкции и способы изготовления стропов с алюминиевыми втулками и поперечным штампованием. Этот способ обеспечивает высокую производительность, минимальную стоимость изготовления, экономию каната (по сравнению с заплеткой свыше 15%), простоту механизмов и оснастки, возможность получения после опрес-совки втулки любой формы, возможность маркировки втулки одновременно с опрессовкой.

Для разработки способа изготовления стропов со штампованными алюминиевыми втулками ВНИКТИсталь-констру-кцией были проведены теоретические и экспериментальные исследования по изготовлению опытных образцов, а также испытания по определению прочностных показателей. На основании проведенных исследований и испытаний были подобраны для различных диаметров канатов оптимальные размеры цилиндрических и овальных алюминиевых втулок, разработаны чертежи штампов, требуемых для опрессовки. В 1973 г. была изготовлена опытная партия стропов, которые были проверены в эксплуатации в восьми монтажных организациях и на трех заводах Минмонтажспецстроя СССР. Результаты этой опытной проверки подтвердили надежность и удобство такого стропа в работе.

Штамп для опрессовки втулок представляет собой деталь круглой или прямоугольной формы, в которой сделана цилиндрическая проточка. Для того чтобы излишек алюминия, который обычно получается при опрес-совке втулки, имел место, где он мог бы разместиться, в матрицах штампа предусмотрены фигурные выемки (лыски) (рис. 9).

Конфигурация и размер штампа подобраны так, чтобы после опрессовки алюминиевых втулок получался бы небольшой облой, который по толщине не превышал бы 0,5 мм, т. е. практически получался облой, который снимать не требуется.

Рис. 9. Штамп для изготовления стропов с алюминиевыми втулками

Рис. 10. Пресс для сжатия круглых втулок в овал

Рис. 11. Конусный оплавленный конец каната

Рис. 12. Станок для изготовления петель стропов и надевания втулок

Рис. 13. Одноветвевой строп и с коушем и без коуша

Штамп изготовляется обычно из стали марки Ст. 45 или стали Ст. V-8. Для уменьшения расхода этих сталей штампы можно делать составными: из основания, изготовленного из углеродистой стали марки Ст. 3 и вкладыша, изготовленного из названных марок сталей. Один штамп может служить для изготовления более 5 тыс. шт. стропов.

Длина штампа должна превышать длину алюминиевой втулки в 1,5 раза. Алюминиевые втулки изготовляют из круглых труб, выпускаемых отечественной промышленностью, а овальные втулки можно изготовлять методом сжатия их на прессе с применением оправок или ограничителей.

Для изготовления стропов с алюминиевыми втулками способом штампования можно применять стандартное оборудование, а также использовать механизмы, которые могут быть изготовлены в обычных мастерских (рис. 10). Резку каната можно производить на маятниковой пиле абразивным кругом (диском), однако предпочтительнее тепловой способ резки на переоборудованной электросварочной машине МСР-50, МСР-75 или МС-1602. При применении тепловой резки конец каната получается оплавленным с небольшим конусом. Такой конец облегчает заделку каната в овальную втулку при образовании петли стропа.

Заготовка петли и надевание втулки при изготовлении стропов из канатов диаметром более 17 мм весьма трудоемка. В институте ВНИКТИстальконструкция был разработан специальный станок, который с помощью рычага и обоймы загибает конец каната вокруг ролика, в результате образуется петля. Благодаря специальному приспособлению короткая ветвь плотно прижимается к основной ветви каната, что обеспечивает беспрепятственное надевание втулки на петлю (рис. 12). Станок позволяет изготовлять петли стропов с коушем и без коуша из канатов диаметром до 32 мм (рис. 13).

Для онрессовки алюминиевых втулок, находящихся на петлях стропов, применяют гидравлические прессы, выпускаемые отечественной промышленностью с номинальным усилием 250 000 Н, 400 000 Н и 600 000 Н.

В институте ВНИКТИстальконструкция была разработана установка (рис. 14) с усилием 260 000 Н для онрессовки втулок на стропах, состоящая из сварного каркаса на нижней траверсе которого установлен гидроцилиндр (домкрат) с нижней частью штампа (матрица) и верхней частью штампа (пуансон), прикрепленного к верхней траверсе.

Аналогичную конструкцию опрессовочной установки можно сделать на базе двух 200-тонных грузовых домкратов (рис. 15).

Гидравлические опрессовочные установки работают от передвижных механических насосных станций НСП-400 или гидроагрегата Г-4436.

Рис. 14. Опрессовочная установка института ВНИКТИстальконструкция 1 — верхняя траверса; 2—штамп; 3— сварной каркас; 4 — гидроцплиндр

Рис. 15. Опрессовочная установка на базе двух гидродомкратов ДГ-200

Рис. 16. Типовая транспортерная галерея по серии ИС-01-15 под один транспортер с шириной ленты 1200 мм

Накопленный институтом ВНИКТИстальконструкция опыт по изготовлению стропов с алюминиевыми втулками широко используется как заводами Минмонтажспец-строя СССР, так и заводами других Министерств. С 1976 по 1980 г. на 12 заводах было организовано производство стропов с алюминиевыми втулками.

Создание металлических транспортерных галерей прямоугольного сечения. Предприятия и организации Мин-монтажспецстроя СССР ежегодно изготовляют и монтируют для различных отраслей народного хозяйства 50—60 тыс. т стальных конструкций транспортерных галерей по действующим типовым проектам. Пролетные строения таких галерей состоят из стальных ферм, балок пола и потолка, горизонтальных связей по поясам ферм, железобетонных плит пола и потолка, стеновых панелей, гидроизоляции и теплоизоляции (рис. 16). Изготовляемые по этим проектам конструкции материалоемки, неизбежно связаны с большими трудозатратами при выполнении строительно-монтажных работ и с продолжительным циклом строительства. Названные недостатки требовали поиска принципиально новых архитектурно-конструктив-ных решений. В связи с этим проведены работы по созданию различных типов стальных пролетных строений транспортерных галерей оболочечного типа, совмещающих частично или полностью функции несущих и ограждающих конструкций.

В 1979 г. были рекомендованы для внедрения в промышленное строительство два типа галерей: – цельнометаллические габаритные пролетные строения круглого сечения для одного транспортера шириной ленты 800 мм (проект ГПИ «Днепрпроектсталькон-струкция»); – цельнометаллические пролетные строения прямоугольной формы из плоских панелей для двух транспортеров шириной ленты 1200 мм (проект Ленинградского отделения ЦНИИпроектстальконструкция), в том числе по предложению ВПО «Союзстальконструкция» пролетные строения прямоугольной формы из плоских панелей с применением С-образных холодногнутых профилей.

Первый тип габаритного пролетного строения галерей круглого сечения (рис. 17) имеет ограниченную область применения, так как позволяет разместить транспортер с шириной ленты только до 800 мм. Увеличение ширины ленты делает эти галереи негабаритными для перевозки железнодорожным транспортом. Второй тип пролетных строений галерей прямоугольной формы является негабаритным, поэтому перевозится по железной дороге отдельными монтажными узлами.

Рис. 17. Круглоци-линдрическая галерея под один транспортер с шириной ленты 800 мм 1 — ось трубы; 2 — ось галереи

Такие галереи не удовлетворяют требованиям индустриализации строительства, так как на монтажной площадке производится укрупненная сборка блоков пролетного строения из значительного числа элементов, что увеличивает трудоемкость строительно-монтажных работ и продолжительность строительства. В связи с этим ВПО «Союзстальконструкция» и Ленинградское отделение ЦНИИпроектстальконструкция предложили габаритное пролетное строение прямоугольного сечения, оболочка которого состоит из С-образных гнутых профилей и полос.

Габаритное пролетное строение (рис. 18) прямоугольного сечения в сравнении с круглым имеет существенные преимущества по расходу металла, позволяет более рационально использовать внутренний объем и размещать транспортеры с шириной ленты до 1200 мм, обеспечивает максимальную заводскую готовность с устройством теплоизоляции из стандартных минераловатных плит и поставку на объекты строительства объемными блоками, монтаж которых предусмотрен на болтах с полным исключением сварки. Кроме того, возможна перевозка объемных блоков однотранспортерных галерей с шириной ленты до 1600 мм с негабаритностью второй степени.

Рис. 18. Оболочечная галерея прямоугольного сечения с С-об-разными профилями под один транспортер «с шириной ленты 1200 мм

Конструктивное решение оболочки с применением С-образных гнутых профилей позволяет наиболее полно механизировать изготовление блоков пролетных строений с выполнением до 90—95% объемов сварочных работ на автоматах. Блоки максимально унифицированы. Они имеют длину 12 м и только три типоразмера поперечных сечений: для транспортеров с шириной ленты до 800, 900—1200 и 1300—1600 мм.

Предложенная консольно-шарнирная расчетная схема позволяет снизить расход металла на пролетные строения в сравнении с традиционной разрезной схемой.

При такой схеме первый укрупненный участок пролетного строения, состоящий из двух или трех блоков, устанавливается на опоры с выдвинутой в смежный пролет консольной частью. Каждый следующий укрупненный участок пролетного строения шарнирно опирается на консоль и.на опору.

В связи с отсутствием в отечественной и зарубежной практике аналога предложенной конструкции оболочки в 1979 г. на Челябинском заводе металлоконструкций было изготовлено опытное строение пролетом 24 м, а затем ВНИКТИстальконструкция и ВНИИмонтаж-спецстрой провели статические испытания. Принятая методика и показатели расчета подтвердились результатами испытания натурного образца.


Читать далее:



Статьи по теме:


Реклама:




Главная → Справочник → Статьи → БлогФорум