CC BY
23Монтаж металлоконструкций в условиях Крайнего Севера
Косарев Леонид Владимирович
кандидат технических наук, доцент кафедры строительного дела, Северо-Восточный федеральный университет имени М.К. Аммосова в г. Нерюнгри, leonid_kossarev@mail.ru
Костюкова Юлия Сергеевна
студент, Северо-Восточный федеральный университет имени М.К. Аммосова в г. Нерюнгри, jkostucova@gmail.com
Статья посвящена монтажу металлоконструкций в условиях Крайнего Севера. Строительство осуществляется суровом климате и сжатых временных рамках. В редких случаях удается выполнить запланированный объем строительных работ в теплое время года. Возникает необходимость применения металлических изделий с определенным набором характеристик, отвечающим местным условиям. Приведен их химический состав, а также прочностные характеристики. Изучен процесс производства сварочных соединений при укрупнительной сборке по пролетам, с дальнейшим монтажом конструкции на высоте. Рассмотрены болтовые соединения. Приведена технология возведения большинства металлических строений в условиях Южной Якутии: монтаж колонн, связей, панелей, их строповку и т.д. Исследован процесс защиты металлических конструкций в различных температурных условиях. Проведен анализ наиболее применимых материалов. Ключевые слова: сталь, сварочные работы, болтовые соединения, монтаж, металлоконструкции, антикоррозийные работы.
Введение
Южная Якутия значительно отличается по климату, у нее присутствуют некоторые особенности при возведении зданий, особенно из металлических конструкций. Они могут подвергаться воздействию крайне низких температур, вплоть до -60°С, что у обычных металлов вызывает потерю пластичности, ускоряет старение и повышает склонность к хрупкому разрушению. Район характеризуется резко-континентальным климатом. Нормативный напор ветра 23 кгс/м2. Расчетная температура холодной пятидневки наружного воздуха -49 С°. Средняя температура холодных суток -45 С°. Условия суровые и способны вызывать необратимые деформации металлов.
Методы и материалы
В основном из металла возводятся промышленные одноэтажные здания, многоэтажные без грузопотоков и производственных процессов, а также многопролетные ангары. Строительные работы в Нерюнгринском районе часто выпадают на холодное время года, в связи с этим необходимо контролировать возможные деформации конструкции, либо использовать металлы, у которых отсутствует хладноломкость и имеется высокая прочность.
В целом выделяют металлы с гранецентрированной кубической (ГЦК), гексагональной плотноупакованной (ГПУ) и с объемно-центрированной кубической (ОЦК) решетками. Конфигурация ОЦК-решетки построена таким образом, что подобные металлы обладают достаточной пластичностью, при росте которой повышается прочность. Они имеют слабую температурную зависимость предела текучести. В отрицательных температурах их пластичность снижается даже при наличии малых примесей, и решетка становится хрупкой и менее прочной. ГЦК-решетка сложная, обладает прочными связями между молекулами и способна принимать в себя примеси, не меняя своих физических свойств. Такие металлы хорошо работают в условиях экстремальных температур. ГПУ-решетка - это промежуточная по свойствам решетка - между ГЦК-решеткой и ОЦК-решеткой. Несмотря на крепкую связь между молекулами, сложную конфигурацию, наличие примесей более 1% дает предрасположенность к хрупкому разрушению. Но не будем забывать, что металлы с ГЦК-решеткой имеют плохую свариваемость, поэтому для колонн, балок и подобных несущих конструкций применяют все же металлы с ОЦК-решеткой и большим количеством примесей - углеродистые стали с ОЦК-решетками, сплавы алюминия, титана [1]. Проанализировав вышесказанное получим таблицу 1.
По СП 16.13330.2011 для температур в промежутке -40° и -55° применяют сталь марки С245, С255, С285, С345, С375 по ГОСТ 27772-2015 и Ст09Г2С, 10ХСНД, 16Г2АФ по ГОСТ 19281-2014 [2].
X X
о
го А с.
X
го т
о
м о м м
Таблица 1
Кристаллические решетки металлов
сч сч о сч
сч
О Ш
m
X
3
<
m о х
X
Тип кристаллической решетки
Наименование
Гране-центрированная кубическая (ГЦК)
Гексагональная плотно-упакованная (ГПУ)
Объемно-центрированная кубическая (ОЦК)
Примеры
Сплавы с никелем, серебром, медью, алюминием
Сплавы с магнием, цинком, кадмием, низкотемпературные модификации титана
Углеродистые стали, сплавы алюминия, титана
ветра в зоне сварки, измеряемая анемометром, не более 10 м/с и защита навесом от осадков. Сварочные работы на высоте производятся при помощи автоподъемника.
Сварку металлоконструкций в укрупнительной сборке и монтаже в проектное положение осуществляют после проверки и выверки. Монтажные стыки выполняются ручной дуговой сваркой по ГОСТ 5264-80 электродами Э50А по ГОСТ9467-75. Сварные стыки в момент укрупнительной сборки применяют электроды марки Э42 по ГОСТ 5264-80 и Э42а по ГОСТ 9467-75 диаметром 2,5 - 6 мм.
Перед выполнением работ катоды прокаливают до температуры 420-450°С в течение 1,5 - 2-х часов или используют паспорта электродов, где прописан режим прокаливания. После нее электроды поставляются работнику в количестве необходимом для работы в течение не менее полусмены. Неиспользованные электроды подвергаются дополнительной прокалке, но она не должна осуществляться более 2-х раз.
Сварку деталей выполняют без отдыха до завершения половины толщины шва. Если перерыв неизбежен, то осуществляют медленное и равномерное охлаждение стыка любыми доступными средствами (например обкладкой листовым асбестом), а при возобновлении сварки температуру стыка повышают до 120 — 160°С. Сварка узлов выполняется по технологическим картам или инструкциям, где есть конкретная последовательность наложения швов и методы, которые обеспечивают минимальные деформации и прочность. Ее выполняют в стабильном режиме, чтобы отклонения силы сварочного тока и напряжения на дуге не превышали ±5% от производственных [3]. Сварные соединения на чертежах изображаются следующим образом (рис. 1).
Большая часть монтажа металлических конструкций выпадает на зимний период времени, поэтому применяется метод укрупнительной сборки с помощью сварки. Материалы для сварки хранятся в сухом складе, где температура составляет 15°С.
Для выполнения сварочных работ на объектах применяются:
• катоды для ручной дуговой сварки;
• сварочные мотки сплошного сечения для механизированной и автоматизированной сварки;
• самозащитные порошкообразные мотки для механизированной и автоматизированной сварки;
• порошковые мотки для механизированной и автоматизированной сварки.
Производственное место электросварщика, а также свариваемая плоскость должны быть защищены от ливня, снегопада и ветра укрытием (палаткой) из огнеупорного материала. Возможная скорость ветра при осуществлении сварочных работ зависит от выбранных метода сварки и сварочных материалов и указывается в технологической карте. Так как в основном используют полуавтоматическую дуговую сварку, то благоприятными условиями для работы рассматривается скорость
стыковой заводской сплошной угловой заводской сплошной видимый видимый
..............................................IIIIIIIIIIIII
........................................................
стыковой монтажный сплошной угловой монтажный сплошной видимый видимый
ХЮОООООООООООООСХ ХХХХХХХХХХХХХХУХХ
>ооооооооооооооо<х ххххххххххххххххх
угловой монтажный прерывистый Сшбимый
-ft**
стыковой заводской прерывистый видимый
угловой заводской прерывистый невидимый
угловой заводской сплошной видимый
Рис. 1. Сварные швы
Кроме сварки в местах соединений, также применяются болтовые соединения, крепежные элементы которых должны удовлетворять требованиям п.5.5 СП 16.13330.2017. Обычно в условиях Южной Якутии применяют такие болты класса точности В, работающие на срез, крепление распорок, стык стропильных ферм, соединение ферм с колонной:
^Болты М-24-8д по ГОСТ 7798-70;
^Гайки М24-8 по ГОСТ ISO 4032-2014;
^Шайбы М24-пружинные из стали 65Г по ГОСТ 640270;
^Шайбы 24-08кп ГОСТ 11371-78.
Для крепления горизонтальных и вертикальных связей, прогонов применяют:
^Болты М16-8дх50.58 ГОСТ 7798-70;
^Гайки М16-8 ГОСТ ISO 4032-2014;
^Шайбы 16-65Г ГОСТ 6402-70;
^Шайбы 16-24-08кп ГОСТ 11371-78.
Гайки затягивают до отказа ключом для болтов М16 и М24. В состав соединений М16 входит: болт, гайка и две плоские шайбы (под головкой болта и под гайкой). После закрепления по линии сопряжения деталей проводят дополнительные сварочные работы ручной дуговой сваркой. Следом места сварки очищают от флюса и окалины и покрывают лакокрасочными материалами. Соединения м24 представляют из себя: болт, гайку, шайбу плоскую и шайба пружинную (гровер) [2].
Непосредственно монтаж стального каркаса производится по пролетам, при этом обеспечивая прочность, статичность смонтированной части и ее частей путем параллельного монтажа. До начала производства монтажных работ осуществляют предварительную раскладку стоек у подошвы фундаментов. Балки монтируют после закрепления стоек. Выполнение монтажных работ осуществляются в соответствии с требованиями главы 12 СНиП 12-03-2001.
Согласно СП 70.13330.2012 «Несущие и ограждающие конструкции», монтаж каркаса выполняется следующим образом:
^Монтаж колонн:
1. Весь процесс начинается со связевой панели. Если по каким-либо условиям указанное требование выполнить невозможно, устраивают временную из первых колонн, подкрановой балки или распорки и временных вертикальных связей между ними, устанавливаемых ниже уровня горизонтальных элементов;
2. Следом монтируют следующую колонну и раскрепляют её от временной панели горизонтальными элементами.
^Монтаж конструкций на высоте выше 1,5 м происходит с инвентарных площадок типа лесов, имеющих ограждение. Перемещение рабочих с площадок осуществляется по приставным лестницам. Если лестницы выше 2 м, то они обязаны иметь ограждение. Перед началом работ они должны пройти проверку мастера или прораба.
^Монтаж стен и перегородок: применяют легкие металлические панели типа «сэндвич» и монопанели вертикальной и горизонтальной разрезки, установка попа-нельная.
1. До установки сэндвич-панелей монтируют уплотняющие прокладки в стыках разных направлений;
2. Укрупнительная сборка стен производится в карты на стендах из легких панелей. Допустимые отклонения карт: по длине и ширине - ±6 мм, по разности размеров диагоналей - 15 мм;
3. Все накладки стыков и угловых элементов заполняют герметиками для избегания образования внутреннего конденсата;
4. Строповка легких панелей допускается только за обвязки вертикально расположенными стропами, а сэндвич-панелей - с помощью гибких тканевых фалов или специальных траверс, которые исключают повреждение кромок и лакокрасочного покрытия;
5. Расстроповка конструкций осуществляется только после точного монтажа в проектное положение;
6. Не выполняются монтажные работы на высоте в открытых местах при скорости ветра выше 15 м/с, при
наледи, грозах или туманах, которые уменьшают видимость фронта работ, которые также прекращаются при монтаже легких панелей при скорости ветра выше 10 м/с.
Поярусный монтаж подразумевает под собой переход на следующий этап только после надежного закрепления предыдущих элементов яруса [4]. Пример связей колонн и поперечных рам представлен ниже (рис. 2,3, 4):
Gb
d>
\ \
\
I K-i I K-l
/
/ /
M ■ T1 Г r T' Г f "
1ива '. им '. раса_ I van inre I ими ! raw L поло
.WW_,_W0_
( 1 ) 12 1 (31 (4 ) {5 ) I 6 ) (7
Рис. 2 План колонн сборочного цеха
10) 11
(О (2 ) ( 3 ) ( 4 ) ( 5 ) ( 6 ) ( 7 ) ( 8 ) (9 Рис. 3 Схема связей по нижним поясам ферм
¡1) (2) (3) (4) (В) (6) (7) (в) (9) (10) (11;
Рис. 4 Схема вертикальных связей между колоннами
По завершению монтажа и сварочных работ обязательно покрывают металлические конструкции антикоррозийным составом. Нельзя производить работы по защите поверхностей металлических конструкций на открытых стальных конструкциях, то есть подверженных действию агрессивной среды. Непосредственно перед использованием составов защищаемые поверхности просушиваются. Антикоррозионные работы (за исключением окраски перхлорвиниловыми составами) выполняют при плюсовой температуре, не давая замораживаться защитным покрытиям до их полного просыхания. Химически стойкими составами окрашивают только в условиях, когда не выпадает конденсат, поэтому завершающий этап в Южной Якутии выпадает на май.
Если более подробно, то антикоррозийные работы проводятся при различных условиях такими материалами, как:
X X
о
го А с.
X
го m
о
м о м м
es es о es
о ш m
X
^минус 10° - при защите поверхностей составами, основанными на перхлорвиниловых лакокрасочных материалах;
^10° - при употреблении силикатных, битумных материалов, а также при отделке полиизобутиленовыми пластинами;
^15° - при покраске растворы и пластобетоны на основе полимерных смол и использования замазки «Арза-мит»;
^ 18-20° - при защите химически стойкими составами (кроме перхлорвиниловых).
Материалы для антикоррозионных работ должны быть подогреты до температуры помещения, в котором располагается защищаемая поверхность. Работы на промерзших строительных конструкций запрещается.
Антикоррозионная защита выполняется в следующей технологической последовательности:
1. Подготовка плоскости под защищаемые составы;
2. Подготовка самих составов (разведение растворителем, выгрузка и т.д.);
3. Нанесение грунтовки для сцепления последующих слоев защитных составов с плоскостью;
4. Нанесение защитного покрытия;
5. Сушка или термообработка [5].
Но в Южной Якутии чаще всего применяют грунтовку ГФ-021 по ГОСТ 25129-82 наряду с эмалью ПФ-115 по ГОСТ 6465-76, которую смешивают с растворителем Уайт-Спирит.
Результаты и обсуждения
Возведение металлоконструкций в Южной Якутии обладает специфическими особенностями на протяжении всего монтажа. Это касается не только фундаментов, но и возведения самого каркаса. Параметры выбора материалов и марок сталей зависят в большей степени от климатических особенностей зоны. В связи с эти несколько меняется технология выполнения работ. Сварочные работы проводятся только вручную с использованием дуговой сварки и определенными электродами по ГОСТ.
На практике очень часто возникает вопрос о монтаже панелей на высоте, так как последние годы скорость ветра изменилась, как и климатические условия. Подготовка дополнительных зон укрупнительной сборки увеличивает расходы. Электроды часто требуют еще одной прокалки, из-за чего повышается стоимость сварочных работ из-за «расходников». Нестабильные погодные условия увеличивают срок строительства, так как невозможно произвести работы по защите металлических конструкций от коррозии, сварочные и монтажные работы также могут быть не осуществимы.
Можно сказать, что здания из металлических конструкций в Южной Якутии также затратны по стоимости и работам по сравнению с остальной частью Российской Федерации из-за суровых условий. Специфика возведения требует дополнительных затрат и контроля. В том числе это касается фундаментов, которые также из-за особенностей грунтов могут просесть. В таком случае применяется способ заморозки грунтов основания [6].
Литература
1. В. С. Кушнер, А. С. Верещака, А. Г. Схиртлаздзе, Д. А. Негров, О. Ю. Бургонова.; под ред. В. С. Кушнера. Материаловедение: учеб. для студентов вузов - Омск: ОмГТУ, 2008 - 232 с.;
2. СП 16.13330.2017 Стальные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-23-81* (с Изменением N 1) - М.: Стандартинформ, 2017;
3. СТО НОСТРОЙ 2.10.64-2012. Сварочные работы. Правила, контроль выполнения и требования к результатам работ. - М: ИСЗС-Консалт, 2013;
4. СП 70.13330.2012. Свод правил. Несущие и ограждающие конструкции. Актуализированная редакция СНиП 3.03.01-87. - М.: Госстрой, 2013;
5. СП 28.13330.2017 СНиП 2.03.11-85 Защита строительных конструкций от коррозии. - М: Минстрой, 2017;
6. Косарев Л.В., Вавилов В.И., Костюкова Ю.С. Предотвращение осадок одноэтажных промышленных зданий на территории Южной Якутии. // Инновации и инвестиции. - 2022. - № 11. - С. 272-275.
Erection of steel structures in Far North Kosarev L.V., Kostyukova Yu.S.
Technical Institute (branch) of North-Eastern Federal University named after
M. K. Ammosov JEL classification: L61, L74, R53
The article is devoted to the installation of metal structures in the Far North. Construction is carried out in a harsh climate and a compressed time frame. In rare cases, it is possible to complete the planned amount of construction work in the warm season. It becomes necessary to use metal products with a certain set of characteristics that meet local conditions. Their chemical composition, as well as strength characteristics are given. The process of manufacturing welding joints during pre-assembly by spans was studied, with further installation of the structure at height. Bolted connections are considered. The technology of construction of most metal structures in the conditions of South Yakutia is presented: installation of columns, ties, panels, their slinging, etc. The process of protecting metal structures under various temperature conditions has been investigated. Analysis of the most applicable materials was performed. Keywords: steel, welding, bolting, installation, steel structures, anti-corrosion
works. References
1. V. S. Kushner, A. S. Vereshchaka, A. G. Skhirtlazdze, D. A. Negrov, and
O. Yu. Burgonova; ed. V. S. Kushner. Materials science: textbook. for university students - Omsk: OmGTU, 2008 - 232 p.;
2. SP 16.13330.2017 Steel structures. Updated version of SNiP II-23-81 *
(with Amendment No. 1) - M .: Standartinform, 2017;
3. STO NOSTROY 2.10.64-2012. Welding work. Rules, performance control
and requirements for the results of work. - M: ISZS-Consult, 2013;
4. SP 70.13330.2012. Set of rules. Bearing and enclosing structures. Updated
version of SNiP 3.03.01-87. - M.: Gosstroy, 2013;
5. SP 28.13330.2017 SNiP 2.03.11-85 Corrosion protection of building
structures. - M: Minstroy, 2017;
6. Kosarev L.V., Vavilov V.I., Kostyukova Yu.S. Prevention of settlement of
one-story industrial buildings in the territory of South Yakutia. // Innovations and investments. - 2022. - No. 11. - S. 272-275.
3
<
m о x
X
