CC BY
10
УДК 004.94; 69
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-5-167-168
АНАЛИЗ И СРАВНЕНИЕ МЕТОДОВ КРЕПЛЕНИЯ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ
М.А. Синелюбов
Строительство металлоконструкций - это сложный и трудоемкий процесс, требующий использования различных методов и технологий для создания надежных и прочных конструкций, при этом важной частью процесса является создание соединений металлических элементов. В настоящее время существует множество методов для соединения элементов металлоконструкций, каждый из которых имеет свои достоинства и недостатки. Качество крепления между элементами строительных металлоконструкций играет решающую роль в прочности и долговечности всей конструкции. В данной статье рассматриваются методы крепления, которые применяются при изготовлении металлоконструкций преимущественно промышленно-складского типа. Также обсуждаются преимущества и недостатки различных видов крепления, их влияние на прочность и долговечность, а также рекомендации по выбору оптимальных методов крепления для разных видов конструкций. Проводится анализ таких типов соединений, как сварные, резьбовые, клеевые и заклепочное по их характеристикам, включая вибростойкость, долговечность, простота монтажа и демонтажа, требовательность к специализированному оборудованию.
Ключевые слова: анализ, сравнительный анализ, металлоконструкция, долговечность, вибрационная стойкость, соединительные элементы.
Металлические конструкции на данный момент применяются при строительстве многих типов сооружений, включая мосты, промышленные и жилые здания, ангары, складские здания, также с помощью этой технологии возводят части зданий, линии электропередач, различные архитектурные сооружения и элементы декора. Наиболее часто такая технология применяется при создании промышленно-складских зданий [1]. При этом вопрос о надежности такой конструкции является одним из наиболее важных, так как от качества элементов металлоконструкции, долговечности креплений, правильности расчета конструкции и отдельных деталей зависят жизни и здоровье людей, экономика предприятия и прочие факторы [2-4]. Одним из наиболее важных элементов конструкции являются крепления. Качество крепления между элементами металлоконструкций играет решающую роль в прочности и долговечности самой конструкции. Поэтому выбор методов крепления, отвечающим всем стандартам безопасности, являются одним из основных направлений в области производства металлоконструкций.
Принято разделять все типы соединений по возможности их демонтажа после установки, а именно разъемные и неразъемные соединения [5]. К разъемным относят резьбовые, шпоночные, зубчатые, штифтовые, шлицевые и пр. При этом шпоночные, зубчатые, штифтовые, шлицевые чаще применяются в машиностроительной отрасли [6] и практически не применяются в строительстве, в котором чаще всего из разъемных соединений применяют резьбовые. Неразъемные виды состыковки деталей используются же чаще всего, в основном это методы сварки, клейки, пайки или клепаные.
Преимуществом разъемных методов соединений является возможность многократного использования элементов при монтаже и демонтаже, а недостатком — возможность ослабления соединений при воздействии внешних факторов. Рекомендуется для конструкций, которые могут подвергаться частому монтажу и демонтажу, а также в условиях, где важна скорость и простота монтажа.
Метод крепления, основанный на соединении элементов конструкций путем сварки, обеспечивает высокую прочность и надежность соединений, но требует сложных и затратных процедур при монтаже, демонтаже и корректировке конструкций. Оптимальный выбор для конструкций, требующих высокой прочности и надежности соединений, а также для конструкций, не предусматривающих многократный монтаж и демонтаж [7-9]. Наиболее распространенным методом сварки является электродуговая сварка. Так существуют технологии автоматизированной электродуговой сварки, которые значительно снижают время и повышают точность процесса. Еще одним методом сварки является сварка в среде защитных газов. Использование защитных газов при сварке позволяет предотвращать окисление материала. Также применяется лазерная сварка, так использование лазеров для сварки металлов предоставляет возможность выполнить работу с более высокой скоростью и с меньшими дефектами. Однако использование лазерной и автоматической электродуговой сварки ограничено из-за необходимости в применении крупногабаритного оборудования и применяется только в заводских условиях, ручная же сварка используется при непосредственном монтаже конструкции.
Заклепочные соединения нашли широкое применение в строительстве металлических конструкций, в том числе и в возведении мостов, зданий, складов, ангаров. Важно отметить, что применение заклепок не ограничивается лишь конструкционными элементами, такими как балки, колонны и другие детали стальных строительных конструкций. Заклепки также широко используются при сборке конструкций из листового металла, которые применяются в качестве обшивки зданий и крыш.
Использование клеев для соединения элементов металлоконструкций выделяется низкими требованиями к процессу, однако имеет более низкую прочность, чем сварное или механическое крепление.
Известия ТулГУ. Технические науки. 2023. Вып. 5
И как правило применяются не для соединений элементов несущих конструкций, а используются для крепления элементов отделки.
Таким образом была составлена сравнительная таблица (см. табл.) рассмотренных ранее методов креплений.
Сравнительный анализ типов соединений
Характеристика Тип соединения
Сварка Резьбовые соединения Заклепки Клеевые соединения
Долговечность Высокая Высокая Высокая Низкая
Вибростойкость Средняя Низкая Высокая Очень низкая
Простота монтажа Низкая Высокая Низкая Высокая
Простота демонтажа Низкая Высокая Низкая Средняя
Требование в специализированном оборудовании Требуется Не требуется Требуется Не требуется
Влияние на общую массу конструкции Низкое Высокое Высокое Низкое
Таким образом можно сделать вывод о том, что методы крепления играют значительную роль в производстве строительных металлоконструкций. Учитывая разнообразие существующих методов крепления, возможно подобрать оптимальный метод для конкретного типа конструкции, что позволяет обеспечить высокую прочность, долговечность и надежность конструкций в соответствии с требованиями к эксплуатации. Так при возведении зданий промышленных предприятий следует отдавать предпочтение сварным, клепочным и резьбовым соединениям, однако если имеются большие вибрационные нагрузки необходимо использовать больше клепочных соединений, так как они наиболее вибрационностойкие и позволяют диагностировать качество соединения без применения дополнительного оборудования.
Список литературы
1. Доркин В.В. Металлические конструкции: Учебник / В.В. Доркин, М.П. Рябцева. М.: Инфра-М, 2013. 457 с.
2. Карпанина Е.Н. Металлические конструкции / Е.Н. Карпанина. М.: Русайнс, 2017.
160 с.
3. Соколов С.А. Строительная механика и металлические конструкции машин: Учебник / С.А. Соколов. СПб.: Политехника, 2011. 450 с.
4. Москалев Н.С. Металлические конструкции, включая сварку: Учебник / Н.С. Москалев, Я.А. Пронозин, В.С. Парлашкевич и др. М.: АСВ, 2016. 352 с.
5. Петриков В.Г. Прогрессивные крепёжные изделия / В.Г. Петриков, А.И. Власов. М.: Машиностроение, 1991. 256 с.
6. Иванов М. Н. Детали машин / М.Н. Иванов, В.А. Финогенов. М.: Высшая школа, 2010.
408 с.
7. Овчинников В. В. Оборудование, техника и технология сварки и резки металлов / В.В. Овчинников. М.: КноРус, 2010. 304 с.
8. Виноградов В.С. Оборудование и технология дуговой автоматической и механизированной сварки / В.С. Виноградов. М.: Академия, 2001. 319 с.
9. Чернышов Г. Г. Основы теории сварки и термической резки металлов / Г.Г. Чернышов. М.: Академия, 2010. 208 с.
Синелюбов Максим Алексеевич, студент, rrr234ttt45@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Научный руководитель: Теличко Виктор Григорьевич, канд. техн. наук, доцент, Россия, Тула, Тульский государственный университет
ANALYSIS AND COMPARISON OF THE METHOD OF FASTENING METAL STRUCTURES
M.A. Sinelubov
The construction of metal structures is a complex and time-consuming process that requires the use of various methods and technologies to create reliable and durable structures, while an important part of the process is the creation of connections between metal elements. Currently, there are many methods for connecting metal structures, each of which has its own advantages and disadvantages. The quality of fastening between the elements of building metal structures plays a decisive role in the strength and durability of this structure. This article discusses the fastening methods that are used in the manufacture of metal structures, mainly industrial and warehouse type. Also discussed are the advantages and disadvantages of various types of fastening, their impact on the strength and durability of structures, as well as recommendations for choosing the best fastening
168
methods for different types of structures. An analysis is made of such types of joints as welded, threaded, glued and riveted according to their characteristics, including vibration resistance, durability, ease of installation and dismantling, requirements for specialized equipment.
Key words: analysis, comparative analysis, metal structure, durability, vibration resistance, connecting elements.
Sinelubov Maxim Alekseevich, student, rrr234ttt45@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Scientific advisor: Telichko Viktor Grigorievich, candidate of technical science, docent, Russia, Tula, Tula State University
УДК 004.94; 69
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-5-169-170
АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ СВОЙСТВ РАЗЛИЧНЫХ СПЛАВОВ НА ЭКСПЛУАТАЦИЮ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
М.А. Синелюбов
Металлические конструкции широко используются в строительстве благодаря своей прочности, долговечности и возможности возводить и эксплуатировать при разных внешних условиях. При производстве металлических конструкций используются многие металлы, каждый из которых имеет свои особенности и преимущества. В статье анализируются свойства различных металлов, используемых при производстве металлических строительных конструкций. В работе рассмотрены особенности применения алюминия, стали, а также приводится сравнение их применяемости в зависимости от условий эксплуатации конструкции. Также приводятся результаты компьютерной симуляции в специализированном программном обеспечении приложения нагрузки на балки из разных марок сталей с целью выявления того, как влияет материал на несущую способность конструкции. Приведена диаграмма с величинами предельно допустимых нагрузок для каждого из рассмотренных материалов, описаны также основные результаты настоящего исследования. В заключении сделаны выводы по целям и задачам данной статьи.
Ключевые слова: анализ, моделирование, металлоконструкция, материал, нагрузка, сталь, исследование.
С ростом объемов строительства и развитием инфраструктуры возрастает спрос на металлические строительные конструкции. Металлы являются одними из наиболее популярных материалов для создания строительных систем благодаря своим высоким показателям прочности, долговечности, быстроте монтажа и относительно небольшой стоимости [1-2]. Одним из наиболее распространенных металлов, используемых при производстве металлических конструкций, является сталь [3-4]. Сталь обладает высокой прочностью и долговечностью, что делает ее идеальным материалом для строительства мостов, зданий промышленных предприятий, однако сталь имеет недостаток - она склонна к коррозии, что может привести к снижению ее прочности и долговечности [5-6]. Для защиты стали от коррозии используются различные методы, включая покрытие металла специальными веществами или использование легированных сплавов.
Еще одним металлом, используемым при производстве металлических конструкций, является алюминий. Алюминий имеет низкую плотность и высокую прочность, что позволяет создавать конструкции с небольшой массой. Кроме того, алюминий не подвержен коррозии, что позволяет использовать его в условиях повышенной влажности или воздействия агрессивных сред. Однако его применение ограничено из-за высокой стоимости. Другим металлом является титан - это легкий и прочный металл, обладающий высокой коррозионной стойкостью. Он также имеет высокую термостойкость и химическую инертность, что делает его пригодным для использования в экстремальных условиях. Титан имеет высокую стоимость, что делает его недоступным для использования в массовом производстве и используется только узкоспециализировано.
Это исследование ориентировано на анализ свойств различных металлов, используемых в строительстве, с оценкой влияния этих характеристик на эксплуатацию строительных конструкций. В данном случае проводится анализ выдерживаемой нагрузки, которую можно приложить к торцевой поверхности балки. Для это были проведены компьютерные симуляции нагружения в программе Ansys [78] одной из поверхности горизонтально лежащей балки. В данном случае рассматривается случай, при котором балка зафиксирована своей плоскостью на горизонтальной плоскости и на противоположенную происходит оказание давления. Оценивалась выдерживаемая нагрузка на балке длиной 300 мм, толщиной стенки 3 мм, имеющая квадратное поперечное сечение и длину стороны 80 мм. Были выбраны 3 марки стали, которые часто применяются для возведения металлических конструкций, так выбраны стали марок С245, С345, С390.
