ТЕМА 5. СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА АЛЮМИНИЕВЫХ КОНСТРУКЦИЙ.

ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

Конструкции из алюминиевых сплавов обладают об­щими для металлических конструкций достоинствами: индустриальностью изготовления, транспортабельно­стью, сборностью, возможностью осуществления монта­жа крупными блоками, разборностью, долговечностью и надежностью в эксплуатации.

Алюминиевые конструкции наиболее легки, даже по сравнению со стальными, поскольку отношение расчет­ного сопротивления к плотности при одинаковой прочно­сти сопоставляемых материалов у алюминия примерно в 3 раза выше, чем у стали. Снижение собственного веса конструкции в свою очередь:

уменьшает усилия в элементах конструкций, особен­но большепролетных, а также подвергающихся сейсмиче­ским воздействиям;

снижает транспортные расходы, объемы и сроки мон­тажа;

сокращает расход энергии при эксплуатации подвиж­ных конструкций.

Благодаря значительной антикоррозионной стойкости алюминия, которая к тому же может быть повышена ок­сидированием, эмалированием и другими способами, сни­жаются эксплуатационные расходы и возрастает долго­вечность конструкций, что особенно важно при наличии агрессивной среды. Отличительной особенностью алюминиевых конструкций по сравнению со стальными явля­ется также возможность обеспечения особых эксплу­атационных требований благодаря таким свойствам материала, как высокая отражательная способность по­лированной поверхности, антимагнитность, петоксичность, а также неспособность к образованию искр при ударах.

Немаловажное значение для строительных конструк­ций имеет их внешний вид, который при применении алю­миния может быть улучшен благодаря фактуре самого материала, а также возможности использования архитек­турных деталей, разнообразных форм и рисунка, изго­товляемых в заводских условиях.

МАТЕРИАЛЫ АЛЮМИНИЕВЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Алюминий — серебристо-белый металл, растворимый в некоторых кислотах и едких щелочах. На воздухе алю­миний быстро покрывается плотной окисной пленкой, предохраняющей поверхность изделия от дальнейшего окисления. Показатели основных физических свойств алюминия следующие:

плотность (среднее значение) р, кг/м³

модуль продольной упругости Е, МПа 70 х10³

модуль сдвига G, МПа 26,5х10³

коэффициент поперечной деформации

(Пуас­сона) в стадии упругой работы материала v 0,3 коэффициент продольной температурной де­формации а_t,1/°С 23х10^-6

температура плавления алюминия технической чистоты t_пл, °С 658

Алюминий обладает хорошей теплопроводностью: и электропроводностью, малым захватом нейтронов, он не магнитен и не способен к ценообразованию при ударе, в полированном виде обладает высокой отражатель­ной способностью. По плотности алюминий уступает только двум металлам — магнию (1,74 т/м³) и бериллию (1,85 т/м³). Технически чистый алюминий имеет: низкую прочность (q_б =60...70 МПа; Q_0.2=20...30 МПа) и высокую пластичность (∑>30 %). Значительное увели­чение прочности алюминия достигается легированием его магнием, марганцем, кремнием, медью, цинком и некото­рыми другими элементами. Временное сопротивление легированного алюминия (алюминиевых сплавов) в за­висимости от состава легирующих добавок в 2—5 раз выше, чем у технически чистого, однако относительное удлинение при этом снижается в 2—3 раза.

Наряду с отмеченными положительными свойствами для алюминия характерны и такие свойства, которые не­редко приводят к снижению эффективности его примене­ния в строительных конструкциях.

К ним относятся: почти в 3 раза меньшие, чем у стали, значения моду­ля упругости и модуля сдвига; более низкий, чем у стали, предел выносливости; незрительное понижение показателей прочности при температуре выше 100—150 °С.

Производство алюминия слагается из двух основных процессов: получение глинозема (оксида алюминия А1₂Оз) из алюминиевых руд и электролизного выделения металлического алюминия из глинозема, растворенного в расплавленном криолите Na₃AlF₆.

К числу алюминиевых руд с достаточно высоким про­центным содержанием оксида алюминия относятся: бокситы (36—65), нефелины (32—36), алуниты (35—37) каолины (38—42) и некоторые др.

По способу производства полуфабрикатов алюминие­вые сплавы разделяют на литейные и деформируемые. В строительстве в основном используют деформируемые сплавы, полуфабрикаты из которых получают способом деформации в горячем или холодном состоянии: прессо­ванием (профили, прутки, трубы, панели), прокаткой (листы, ленты), волочением (тонкостенные трубы), ков­кой и штамповкой (фасонные детали). Литейные сплавы вследствие их низкой пластичности в строительных кон­струкциях применяются чрезвычайно редко (так же, как и стальное литье).

По составу основных легирующих компонентов оте­чественные деформируемые сплавы делятся на группы, каждая из которых включает в себя несколько марок, имеющих свое обозначение. В первые три из рассматри­ваемых групп входят технически чистый алюминий и сплавы двойных композиций: Аl—Мn и Al—Mg. Терми­ческая обработка этих сплавов не приводит к упрочне­нию, поэтому сплавы, относящиеся к этим группам, по­лучили название термически неупрочняемых сплавов.

1-я группа. Технически чистым алюминием называют алюминий, общее содержание примесей в котором не пре­вышает 1,2%. По коррозионной стойкости и высокой пластичности технически чистый алюминий близок к хи­мически чистому. Установлены следующие марки техни­чески чистого алюминия: АДО, АД1 и АД с содержани­ем примесей соответственно до 0,5, 0,7 и 1,2%.

2-я группа. Сплавы системы А1—Мn. Характерным представителем этой группы является сплав АМц, содер­жащий 1 —1,6 % марганца. Этот сплав обладает высокой коррозионной стойкостью, хорошо сваривается, легко по­лируется, однако прочность его невелика.

3-я группа. Сплавы системы Al—Mg, называемые магналиями, обозначаются буквами АМг с добавлением цифры, указывающей примерное содержание магния в процентах (АМг2, АМгЗ и т. д.). Эти сплавы содержат также небольшое количество марганца (0,2—0,8%). Сплавы этой группы обладают высокой стойкостью про­тив коррозии, хорошо свариваются. С увеличением содер­жания магния прочностные показатели повышаются; однако при содержании магния более 3,5 % пластичность и коррозионная стойкость сплавов заметно снижаются. Для улучшения свойств в качестве добавок используют титан (0,02—0,1%), бериллий (0,002—0,005%) и хром (0,05-0,35 %).

4-я группа. Сплавы системы Al—Mg—Si, легирован­ные кремнием (0,3—1,2%) и магнием (0,4—1,4%), на­зываются силуминами. Обозначаются они буквами АД с добавлением порядкового номера (АД31, АДЗЗ, АД35, и т. д.). Сплавы этой группы пластичны, хорошо сварива­ются, обладают высокой стойкостью против коррозии, хорошо полируются и легко анодируются. К этой же группе относится сплав, дополнительно содержащий до 0,5 % меди. Этот сплав, широко применявшийся ранее в авиастроении и названный поэтому авиалем, обознача­ется буквами АВ.

5-я группа. Сплавы системы А1—Си—Mg называются дуралюминами. Они обозначаются буквой Д с добавле­нием порядкового номера (Д1, Дб, Д16, Д18 и т. д.). Свое название дуралюмины получили от латинского сло­ва durus (твердый). Наличие в сплавах этой группы ме­ди в количестве 3,8—4,9%, способствующей увеличению твердости и прочности его после термической обработки, отрицательно сказывается на его пластичности и корро­зионной стойкости. Дуралгомин был первым из сплавов, обладающих высокой прочностью.

6-я группа. Сплавы системы Al—Mg—Zn стали при­меняться сравнительно недавно (с начала 50-х гг.). От­личительной особенностью сплавов, содержащих 3—7 % цинка и около 2 % магния, является их способность к са­моупрочнению после прессования полуфабрикатов в го­рячем виде. Небольшими добавлениями циркония, меди и хрома можно получать более высокопрочные из всех известных алюминиевых сплавов.

Цифровая система обозначения марок построена следующим образом: первая цифра определяет основу сплава: 1 .— алюминий, вторая цифра обозначает композицию легирования (систему) сплава:

0 — технически чистый алюминий;

1 — Al—Cu—Mg; 3 — Al—Mg—Si; 4 — Al—Mn; 5 — Al—Mg; 9 — Al—Mg—Zn.

Последними двумя цифрами обозначается порядковый номер сплава в своей системе.

Полуфабрикаты (листы, профили, трубы, ленты, пли­ты и т. п.) поставляются заводами-изготовителями при различном состоянии материала: без какой-либо допол­нительной обработки (после горячего прессования или проката), в состаренном (после закалки), отожженном, нагартованном или в других возможных состояниях. По­этому к обозначению марки сплава добавляется обозна­чение, указывающее состояние материала в полуфабри­катах, подвергнутых той или иной обработке: М — мяг­кое (отожженное); Н — нагартованное; Н2 — полуна-гартованное; Т — закаленное и естественно состаренное; Т1 — закаленное и искусственно состаренное; Т4 — есте­ственно состаренное после неполной закалки; Т5 — ис­кусственно состаренное после неполной закалки.

Профили, не подвергавшиеся термической обработке (горячепрессованные), после марки сплава дополнитель­ного обозначения не имеют.

Для плакированных листов (покрытых при прокат­ке тонким слоем чистого алюминия) используют допол­нительные обозначения: ПЛАК — плакированные или А — нормальная двусторонняя плакировка; У — утол­щенная двусторонняя плакировка. Буквой п (малое) обозначаются прутки. Данные о состояниях материала, в котором заводы производят поставку основных видов полуфабрикатов, приведены в таблице.

ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУИРОВАНИЯ И РАСЧЕТА

ЭЛЕМЕНТОВ АЛЮМИНИЕВЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Введенные в действие с января 1987 г. нормы проек­тирования алюминиевых конструкций СНиП 2.03.06—85 являются четвертым по счету нормативным документом, разработанным в нашей стране. По струк­туре они близки к нормам проектирования стальных кон­струкций СНиП 11-23-81*.

Из большого числа сплавов различных композиций, производимых отечественной промышленностью, к ис­пользованию в строительстве нормы рекомендуют шесть марок деформируемого алюминия и один литейный. В числе деформируемых сплавов три марки термически неупрочняемого алюминия (АД1М, АМц, АМгМ) и три марки термически упрочняемого (АД31, 1915, 1935). Ли­тейный сплав (АМ8) относится к числу термически не-упрочняемых (табл. 10.1). Некоторые из сплавов при­меняются в различных состояниях поставки. Например, сплав марки АД31 — в четырех различных состояниях (Т, Т1, Т4, Т5). Ограниченное число марок сплавов про­диктовано производственными соображениями.

В нормах приведены рекомендации по использованию марок алюминия и полуфабрикатов из них в зависимо­сти от назначения конструкций, которые разбиты на че­тыре группы применения: группа I — ограждающие и другие конструкции типа оконных и дверных заполне­ний, подвесных потолков, перегородок, витражей и т. п.; группа II — конструкции, выполняющие одновременно несущие и ограждающие функции:' блоки покрытий, кро­вельные и стеновые панели и т. п.; группа III — несущие сварные конструкции: фермы, колонны, прогоны, про­странственные решетчатые покрытия, сборно-разборные конструкции каркасов зданий, покрытия больших проле­тов и др.; группа IV — клепаные конструкции, а также элементы конструкций, не имеющие сварных соединений.

Основное расчетное сопротивление алюминия R, при­нятое единым при расчетах на растяжение, сжатие и из­гиб, установлено делением нормативного сопротивления R_n на коэффициент надежности по материалу γ_т. При этом за нормативное сопротивление принимают либо ус­ловный предел текучести, либо временное сопротивление разрыву, значения которых установлены ГОСТом и ТУ. Диаграмма q—e алюминия не имеет выраженной пло­щадки текучести, поэтому за предел теку­чести принято напряжение, соответствующее остаточно­му удлинению, равному 0,2 %. Численные значения коэф­фициентов надежности по материалу при нахождении расчетного сопротивления по пределу текучести приняты γ_m=l,l, при вычислении расчетного сопротивления по временному сопротивлению разрыву γ_т = 1,45.

За расчетное сопротивление принимается меньшее из двух значений, определенных по σ_о и σ_в.

Для конструкций, эксплуатируе­мых при расчетной температуре наружного воздуха 51 — 100 ^СС, расчетные сопротивления понижаются умноже­нием основного расчетного сопротивления на коэффици­ент γ_t. Значение этого коэффициента для алюминия ма­рок АМг2, АД31, 1915, 1935 и АЛ8 вне зависимости от состояния поставки γ_t —0,9 и для алюминия марок АД1 и АМц — γ_t = 0,85.

Расчетные сопротивления алюминия на срез R_s, смя­тие торцевой поверхности R_v и смятие местное при пол­ном касании Ri_v установлены умножением основного рас­четного сопротивления R на соответствующие коэффици­енты перехода: γ_s —0,6; γ_р=1,б и γ_{t р}=0,75.

На прочность конструкции рассчитывают по упругой стадии работы материала. Исключение составляют неко­торые виды листовых конструкций, эксплуатация кото­рых допускается в стадии развития пластических дефор­маций. В этих случаях расчетное сопротивление алюми­ния марки АМг2М на растяжение принимается увеличенным против основного на 20 %, а для марок АД1Ми АМцМ — на 40 %.

Значения коэффициентов условий работы у_с для эле­ментов алюминиевых конструкций приняты немного сниженными по сравнению с коэффициентами для стальных конструкций. Например, для сжатых элементов решетки плоских ферм γ_с = 0,75 при λ>50 и γ_с = 0,9 при λ >=50, вместо γ_с = 0,8 при λ >=60 для стальных элементов; в про­странственных конструкциях для раскосов из одиночных уголков при креплении их к поясам одной заклепкой или болтом γ_с =0,6 вместо γ_с = 0,75.

В связи с пониженным значением модуля упругости предельные значения гибкостей для сжатых и для растя­нутых элементов алюминиевых конструкций установле­ны на 20—30 % ниже, чем для стальных. На 25 % сни­жена предельная гибкость для отдельных ветвей состав­ных центрально-сжатых стержней ([>v]=30, против. [>.]=40 для стального стержня). По тем же соображе­ниям предельное расстояние между соединениями (про­кладками, шайбами и т. п.) составных сжатых элемен­тов, рассчитываемых как сплошностенчатые, уменьшено до 30% (против 40%).

РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ

Центрально-растянутые и центрально-сжатые элементы. При расчете на прочность стержней, работаю­щих на осевую силу, должно удовлетворяться условие N<=A_nRy_c. Использование алюминия взамен стали в цент­рально-растянутых стержнях позволяет существенно сни­зить их массу. Получаемый при этом эффект можно вы­разить значением Km.t, определяемым как отношение мас­сы алюминиевого стержня к массе стального

K_m.t = m_al/m_st=p_alR_st/p_stR_al

При использовании163 МП алюминия с расчетным сопротивлением выше значение K_m.t <0,5, а следовательно, масса стержня сни­жается в 2 раза и более. Применение алюминия меньшей прочности не дает значительного эффекта, а при R_al =80 МПа масса алюминиевого стержня оказывается да­же больше стального (K_m.t >1).

Расчет на устойчивость сплошностенчатых стержней, подверженных сжатию осевой силой, выполняются по формуле

N<=AφRγc, где φ=σ_cr / R

В стадии упругой работы материала (точнее до пре­дела пропорциональности) критическое напряжение по­тери устойчивости стержня определяется уравнением Эй­лера σ_э = π²Е/λ². На значение критического напряжении существенно влияет модуль упругости, который для алю­миния почти в 3 раза меньше, чем у стали. Нижняя гра­ница применимости уравнения Эйлера для алюминия марки 1915Т (σ_pr =180 МПа) соответствует гибкости λ_э = 3,14 1/70 000/180 = 62 (рис. 10.2). Для стали марки ВСтЗпсб—1 (σ_pr =190МПа) λ_э =3,14/206 000/190= 104.

Значения коэффициентов f, установлены с учетом наличия возможных началь­ного искривления оси стержня и случайного эксцентриси­тета действия сжимающей силы, а также влияния формы сечения. На устойчивость алюминиевого стержня пере­численные факторы влияют несколько больше, чем на устойчивость стального стержня.

Потеря устойчивости сжатого стержня, поперечное се­чение которого имеет только одну ось симметрии (тавр, швеллер и др.), происходит в изгибно-крутильной форме. При этом значения критического напряжения и, следова­тельно, коэффициента f оказываются несколько меньши­ми, чем для стержня, имеющего в сечении две оси сим­метрии.

Вследствие относительно низких значений коэффици­ента φ использование алюминия в сжатых стержнях боль­шой и даже средней гибкости оказывается нецелесооб­разным.

Зависимости,

K_m.с= m_al/m_st= p_alR_st

выражающие отношение погонных масс центрально сжатых стержней,которые обладают равной несущей способностью при

одинаковых расчетных длинах, форме и высоте сечения (а, следовательно, и близких по гибкости), позволяют в первом приближении оценить возможности снижения массы стержня при замене стали марки ВСтЗпсб—1 на алюминий соответствующей марки.

Следует отметить, что использование сплавов высокой прочности в сжатых стержнях мало эффективно даже при малых гибкостях. Так, при λ = 30 замена сплава АД31Т1 сплавом 1915Т с расчетным сопротивлением на 33 % выше, чем у первого, позволяет улучшить показа­тель массы всего на 10 %. С увеличением гибкости этот процент постепенно снижается и при λ=110 значение ко­эффициента К т.с для всех сплавов приближается к еди­нице. В этом случае алюминиевый стержень имеет такую же погонную массу, как и стержень из стали марки ВСтЗпсб—1, а площадь сечения алюминиевого стержня

A_al=A_st p_st / p_al

должна быть почти в 3 раза больше, чем стального.

Увеличение радиуса инерции за счет высоты сечения позволяет снизить гибкость стержня и, следовательно, улучшить показатель Кт.с.

Элементы, работающие на поперечный изгиб (балки). Алюминиевые балки рассчитывают на прочность по тем же формулам, что и стальные. Учет пластических деформаций при этом не допускается. Это связано с бо­лее ограниченной, чем у стали, зоной упругопластической стадии работы материала, а также с недостаточной изу­ченностью действительной работы изгибаемых элементов из алюминия в стадии развития пластических деформа­ций материала.

Эффективность использования алюминия взамен ста­ли в балках, несущая способность которых определяется расчетом на прочность (M<=W_n Ryc), может быть охарак­теризована отношением масс алюминиевой и стальном балок m_al/m_st. При одинаковых характеристиках сечении (W_at=W _st; A_al=A_st) значение Кт.б.=m_а1/т _st имеет тот же закон изменения, как K_m.t.

Общую устойчивость балки двутаврового сечения, из­гибаемой в плоскости стенки, проверяют по формуле

M= W_cφ_bR γ_c,

где φ_b= σ_cr.b /R

Выражение критического напряжения потери устойчи­вости изгибаемого стержня имеет сложную зависимость

σ_cr.b=ks/2 l₀/h*Jy/Jx*(h/l₀)2

Поскольку значения модуля продольной упругости и модуля сдвига алюминия примерно в 3 раза меньше соответствующих значений для стали, то и критические напряжения при всех остальных равных параметрах на­ходятся в соответствии

σ_cr.b.al =1/3 σ_cr.b.st

Общая устойчивость балок обычно обеспечивается конструктивными мероприятиями, например постановкой связей в уровне сжатого пояса. Поскольку критическое напряжение потерн устойчивости изгибаемого стержня из алюминия значительно меньше, чем из стали, расстояния между точками раскрепления алюминиевых балок связя­ми должны быть существенно меньшими, чем при рас­креплении стальных балок.

При расчете изгибаемых элементов на деформативность наибольший относительный прогиб от нормативных нагрузок не должен превышать предельного, установлен­ного нормами,

f/l = A/EJ<=[f/l]

где A—параметр, зависящий от расчетной схемы балки, размеров пролета и нагрузок.

Предельные прогибы отражают эксплуатационные требования к конструктивным элементам различных видов.

Внецентренно - растянутые и внецентренно - сжатые элементы. Прочность алюминиевых стержней, рабо­тающих на одновременное действие осевой силы и изги­бающего момента, проверяется по упругой стадии работы материала. Для алюминиевых конструкций часто реша­ющее— расчет на устойчивость в плоскости действия момента N<=φ_eARy_c. Коэффициент φ_е для сплошностенчатых стержней определяется в функции условной гиб­кости λ = λ и приведенного эксцентриситета m_еf/ηm.

Зависимости

K_m.с= m_al/m_st= p_al/*R_st*φ_e,st R_st/ φ_e,al R_{al ,}

выражающие отношение погонных масс внецентренно-сжатых стержней, обладающих равной несущей способ­ностью при одинаковых расчетной длине, эксцентрисите­те, форме и высоте сечения, позволяют в первом прибли­жении оценить возможности снижения массы стержня при замене стали марки на алюминий. При этом можно видеть, что при больших гибкостях стержней эффективность применения алюминия возрастает с увеличением приведенного эксцентриситета.

СОЕДИНЕНИЯ АЛЮМИНИЕВЫХ КОНСТРУКЦИЙ

В конструкциях из алюминия применяют сварные, за­клепочные, болтовые, паяные, клеевые, а также комби­нированные (клеесварные, клееболтовые и т. п.) соеди­нения. Выбор вида соединения зависит как от типа конст­рукции, так и от марки и состояния сплава. Применение соединений, в которых часть усилий воспринимается свар­ными швами, а часть заклепками или болтами, не допус­кается.

СВАРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

Способы сварки. Алюминиевые конструкции можно сваривать практически всеми известными спосо­бами сварки: газовой, электродуговой, электроконтактной и др. Тепловое воздействие при сварке приводит к из­менению механических свойств алюминия в околошовной зоне, нередко более значительному, чем при сварке ста­ли. В полуфабрикатах, упрочненных холодной деформа­цией (нагартованных или полунагартованных), прочность при сварке снижается в результате отжига.

Прочность сварных соединений конструкций из терми­чески упрочненных сплавов находится в зависимости от состава легирующих компонентов и состояния сплава (ес­тественное или искусственное старение).

Значительное влияние на качество металла шва ока­зывают оксиды алюминия. Следует заметить, что сварка возможна лишь при условии чистоты свариваемых по­верхностей. Изделия должны быть тщательно очищены от грязи, жира и непосредственно перед сваркой от ок­сидной пленки, поскольку образование ее происходит очень быстро.

В процессе сварки под действием высоких температур окисление происходит особенно интенсивно, поэтому очень важно обеспечить защиту металла от кислорода воздуха. Наибольшее распространение получил способ электродуговой сварки в среде защитного газа. Этот спо­соб обеспечивает более высокое качество сварных соеди­нений. Защитным газом служит аргон (аргонно-дуговая сварка).

Аргонно-дуговая сварка может осуществляться с по­мощью неплавящегося (обычно вольфрамового) электро­да или плавящимся голым (без обмазки) электродом.

При первом способе сварку можно выполнять с присадкой или без нее (соединяется расплавленным ме­таллом изделия). Присадочный материал обычно вво­дится в процессе сварки расплавлением проволоки по­добно тому, как это делается при газовой (кислородно-ацетиленовой) сварке. Сварку с помощью неплавящегося электрода применяют при соединении изделий малой тол­щины (до 6—10 мм).

Для сварки изделий средней и большой толщины бо­лее удобным и дающим лучшие результаты оказывается способ сварки плавящимся электродом. Автоматическая сварка в среде защитного газа может выполняться на скоростях, в 1,5 раза превышающих скорость автомати­ческой сварки по слою флюса. При сварке элементов ма­лой толщины (1—2 мм) внахлестку применяют контакт­ную электросварку (точечную пли роликовую). Ролико­вая сварка в заводских условиях обеспечивает получение прочных и водонепроницаемых соединений.

Газовая сварка, электродуговая сварка электродами с обмазкой, а также сварка под слоем флюса (широко применяемая при сварке стальных конструкций) редко применяются при изготовлении алюминиевых конструк­ций, как не имеющие преимуществ перед аргонно-дуговой и контактной.

Расчет сварных соединений. Расчет соединений стыковыми швами производится по формулам расчета для целого сечения. При этом значения расчетных со­противлений стыковых швов, работающих на растяжение, качество которых не контролируется физическими мето­дами, принимаются пониженными на 20 %.

Стыковые соединения, работающие одновременно на изгиб и срез, следует проверять по формуле

σ_w/2

В соединениях угловыми швами расчет производится по тем же формулам, что и соединении конструкций из стали на срез (условный), но только по одному сече­нию — по металлу шва

τ _wmax <= R_wf

В качестве расчетных характеристик принимаются: l_w — расчетная длина шва, равная его полной длине за вычетом 3t (при сварке встык) или 3_kf (при сварке угловыми швами); при выводе стыкового шва за пределы со­единения (на подкладки и т. п.) — принимается полная длина шва;

t — наименьшая толщина соединяемых эле­ментов; k_f — катет углового шва, равный катету вписан­ного равнобедренного треугольника; β_f — коэффициент при автоматической одно- и двухпроходной сварке, рав­ный 0,9, во всех других случаях — 0,7.

ЗАКЛЕПОЧНЫЕ И БОЛТОВЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

Соединения на болтах или заклепках хотя и связаны с некоторым ослаблением сечения элементов конструк­ций, тем не менее они имеют некоторые преимущества перед сварными соединениями, так как не вызывают структурных изменении материала.

Заклепочные соединения. Чтобы исключить вредное влияние местного нагрева при клепке, заклепки из алюминиевых сплавов ставят в холодном состоянии. Материалом для заклепок служат сплавы повышенной пластичности.

Перед постановкой в конструкцию заклепки из термоупрочняемых сплавов подвергают закаливанию при тем­пературе около 500 °С. Наибольшее время с момента тер­мической обработки заклепки до клепки определяется скоростью процесса старения материала. Для дуралюмина это время невелико. Например, для сплава Д16п оно составляет всего 20 мин. Срок между термообработкой и постановкой заклепок может быть увеличен хранением заклепок в холодильнике. Так, тот же сплав Д16п, нахо­дящийся при t = 0°С, сохраняет свежезакаленное состоя­ние 20 ч. Поскольку упрочнение материала протекает в заклепках, поставленных в конструкцию, возможность загружения конструкции определяется временем, необ­ходимым для достижения материалом заклепок требуе­мой прочности (обычно 5—10 дней). При применении за­клепок из алюминия типа магналии, не подвергающихся упрочнению термообработкой, эти трудности отпадают. Работа заклепки, поставленной в холодном состоянии, отличается от работы заклепки, поставленной после на­грева до соответствующей температуры. Как известно, стержень заклепки, поставленной в горячем состоянии, при остывании, сокращаясь в длине, стягивает соединяе­мые элементы, что и определяет работу заклепочного со­единения в первой стадии вследствие сил трения. При холодной клепке такого стягивания листов не происходит и соединение сразу работает в стадии упругопластических деформаций — смятия и среза. Такая работа закле­пок, установленных в холодном состоянии, аналогична второй стадии работы соединения на заклепках, поставленных в горячем состоянии. Чтобы заклепка, постав­ленная в холодном состоянии, хорошо работала, необ­ходимо полное заполнение отверстия се стержнем. За­клепки ставят в отверстия, рассверленные в пакете. В про­давленные отверстия заклепки ставить не допускается. При клепке соединяемые элементы должны быть хо­рошо прижаты друг к другу, что обеспечивается более частой постановкой сборочных болтов. После снятия этих болтов в заклепочных стержнях возникают растягиваю­щие напряжения; они, однако, значительно меньше растя­гивающих напряжений, возникающих при остывании за­клепки, поставленной в горячем состоянии. Вследствие этого усилие, передаваемое за заклепочную головку, ока­зывается сравнительно небольшим, и, следовательно, раз­меры головки могут быть приняты меньшими по сравне­нию с применяемыми в стальных заклепках. В то же вре­мя образование замыкающей головки заклепок больших диаметров (16—20 мм) при холодном способе клепки да­же из мягкого (неупрочненного) алюминия требует боль­ших усилий. Стремление уменьшить это усилие привело к изысканию новых форм замыкающих головок.

Сжимающее усилие, необходимое для образования за­мыкающей головки заклепки диаметром 20 мм из дуралюмина марки Д18, при обычной полукруглой фор­ме — 690, при плоскоконической — 430, при конусооб­разной — 350 кН. При постановке заклепок того же диа­метра из сплава Д1 усилия, необходимые для формиро­вания головок, по сравнению с приведенными, возрастают в 1,3—1,4 раза.

Клепка конструкций в заводских условиях осущест­вляется на скобах большой мощности. В монтажных ус­ловиях, когда клепка ведется пневматическими молот­ками, форма замыкающей головки имеет особое значение.

Болтовые соединения. В монтажных соедине­ниях алюминиевых конструкций используют как алюми­ниевые, так и стальные болты. Алюминиевые болты, так же как и стальные, изготовляют нормальной и повышен­ной точности. Во избежание электрохимической коррозии стальные болты и шайбы оцинковывают или кадмируют. Кроме обычных болтов достаточно широко используются самонарезающие болты и винты, а также болты с обжимными кольцами, служащие для крепления тонко­листовых элементов на монтаже. Самонарезающие болты изготовляют из калиброванной стали марки 30 с фосфатированным покры­тием. Эти болты выпускают с диаметром резьбы М6, дли­ной 20 и 25 мм и шестигранной головкой. Воронежский ЗСАК изготовляет стальные самонарезающие винты, ко­торые имеют потайную и полукруглую форму головки с крестообразной формой шлица, диаметр резьбы 4, 5 и 6 мм, длина 15, 25, 30 и 40 мм.

Болты с обжимными кольцами, так называемые локболты, установка которых в соединениях производится специальным пневматическим инструментом, повышают производительность труда на монтаже в 1,5—2 раза.

Расчет заклепочных и болтовых соединений. Заклепки и болты в конструкциях из алюминиевых спла­вов рассчитывают по тем же формулам, что и в стальных конструкциях. Расчетные сопротивления срезу в закле­почных соединениях R_rs из алюминия марок АД1Н, АМг2Н соответственно равны 35 и 70 МПа, а из алюми­ния марок АМг5пМ и АВТ — 100 МПа. Для заклепок с потайными или полупотайными головками расчетные сопротивления снижаются на 20 %.

Диаметр односрезных заклепок обычно назначается несколько большим удвоенной толщины склепываемого пакета: d=2∑t+ (1 ...3), а при двухсрезных d = ∑t+(1...3). Диаметр отверстий под заклепки должен быть немно­го больше заклепок. Так, при стандартном диаметре за­клепок 3—8, 10, 12, 14, 16, 18 мм диаметр отверстий должен соответственно составлять 3,1; 4,1; 5,1; 6,2; 7,2; 8,2; 10,2: 12,35; 14,4; 16,55 и 18,6 мм.

В алюминиевых конструкциях максимальные расстоя­ния между центрами заклепок и болтов несколько умень­шены по сравнению с расстояниями в стальных конструк­циях, а минимальные расстояния от центра заклепки (болта) до края элемента увеличены.

Коэффициенты трения щ при расчете соединений на высокопрочных болтах вне зависимости от марки алюми­ния принимаются: при пескоструйной очистке — 0,45; при химической обработке (травление) — 0,4. При отсутст­вии обработки соединяемых поверхностей коэффициент трения столь незначителен (|и=0,15), что использование высокопрочных болтов оказывается нецелесообразным. Чтобы увеличить прочность заклепочных и болтовых со­единений, соединяемые поверхности целесообразно на­мазывать клеем (см. п.Ч 1.3.2). В соединениях на высо­копрочных болтах, вследствие того что материал конст­рукции (алюминий) и болтов (сталь) имеет разные ко­эффициенты линейного расширения, при изменении тем­пературы в стержне болта могут возникать дополнитель­ные температурные напряжения. Их необходимо учиты­вать при назначении предварительного натяжения болта.

ПРОЧИЕ ВИДЫ СОЕДИНЕНИЙ

Паяные соединения тонкостенных элементов конструкций имеют определенные преимущества по срав­нению со сварными: при пайке расходуется меньше теп­ла, этот процесс не вызывает существенных изменений химического состава и механических свойств основного металла, остаточные деформации в паяных соединениях значительно меньше, чем в сварных. Однако при пайке необходимо особенно тщательно удалять оклееную пленку с поверхности соединяемых изделий. В связи с этим пай­ка имеет весьма ограниченное применение в строительных конструкциях из алюминия.

Клеевые и клееметаллические соединения. Клеевые соединения имеют определенные преимущества по сравнению с клепаными и сварными соединениями: ос­новной металл не нагревается и не ослабляется отвер­стиями, благодаря склеиванию большой площади по­верхности отсутствуют места концентрации напряжений. Все алюминиевые сплавы, в том числе высокопрочные, можно склеивать. Используя клеи, можно осуществлять соединения алюминия с другими материалами (деревом, сталью, бетоном и т. п.); клеевой слой одновременно предохраняет от вредного контакта с ними.

Недостатком клеевых соединений являются их малая сопротивляемость отрыву, особенно при сосредоточенном действии силы), отсутствие надежных методов контроля за качеством склеивания, а также снижение прочности во времени.

Чтобы повысить надежность клеевых соединений, при­меняют комбинированные соединения: клеесварные, клеезаклепочные, клеевинтовые или клееболтовые. Наиболее прогрессивные клеесварные соединения алюминия с при­менением контактной точечной сварки, что позволяет ме­ханизировать процесс изготовления конструкций. Для клеезаклепочных и клеевинтовых соединений не нужно сложное оборудование, их можно применять в разнооб­разных конструктивных решениях (в том числе в соеди­нениях с неметаллическими материалами).

Для склеивания алюминиевых конструкции применя­ют клен на основе эпоксидных смол, полиуретановые, кау­чуковые и некоторые другие.

ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ АЛЮМИНИЕВЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Использование алюминия в строительстве вследствие высокой стоимости и дефицитности материала в каждом отдельном случае должно быть соответствующим обра­зом обосновано.

При проектировании конструкций из алюминия не сле­дует копировать решения, характерные для конструкций из стали.

На конструктивные формы алюминиевых конструкций большое влияние оказывают модуль упругости, коэффи­циент температурной продольной деформации, коррози­онная стойкость материала. Большое значение имеет и возможность использования в конструкциях прессован­ных профилем со сложной формой поперечного сечения.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: