Metal structures

1. MINIISTRY OF EDUCATION AND SCIENCE OF UKRAINE
O. M. BEKETOV NATIONAL UNIVERSITY
of URBAN ECONOMY in KHARKIV
Kharkiv 2021
Complier: P. M. FIRSOV
METAL STRUCTURES

2. METAL
STRUCTURES

3. 1. Industrial large-span buildings
(30 m and more) of great height
with heavy-cargo cranes

4. 2. Public large-span buildings (sports
and exhibition halls, markets,
pavilions)

5. 3. Industrial buildings made of
light standard load-bearing
structures (hangars, garages,
sheds)

6. Kyiv city. 90-meter high-rise
residential building
4. Residential buildings of different storeys

7. Manhattan, Tribeck District,
57-Storey Residential Building Project

8. Manor-type residential
buildings based on a
metal frame

9. 5. Reconstruction of residential
and public buildings

10. 6. Construction of bridges
with long spans

11. Colbrookdale city, England
1779 year.
Edinburgh, Scotland, 1890 year

12. Details, assemblies and
joints of bridges

13. 7. Construction of tower
structures

14. 8. Construction of tanks, pipelines

15. Construction of chemical production and oil refining
manufactures

16. 9. Development of architectural forms
and decor elements

17. 9. Development of pavilions and
stairs

18. Steel - is an alloy of
iron and carbon.

19. Steel has a crystal lattice and consists mainly of
ferrite grains with the inclusion of pearlite. These
components determine how the steel works under load.

20. Impurity content in steels:
 are presented in the composition of the ore (unavoidable):
- silicon and manganese (increase the yield stress and
temporary resistance of steel, reducing its plastic properties)
Manganese
Silicon

21. - phosphorus and sulfur (reduce strength
characteristics, affect brittleness, making steel cold-brittle and
prone to cracking);
Sulfur
Ferro phosphorus

22. Nickel
Aluminum
Copper
Impurity content in steels:
 alloying components (added):
- vanadium, molybdenum, titanium, tungsten
(improve the mechanical properties of steel:
structure, corrosion resistance).

23. Alloying - adding impurities to the composition of
materials to change (improve) the physical and/or
chemical properties of the base material.
Alloying is a generalizing concept of a number of
technological procedures; they distinguish between bulk
(metallurgical) and surface (ionic, diffuse, etc.) alloying.
Alloys are generally designated according to the
predominant elements such as nickel steel, chromium
steel and chrome vanadium steel. Alloys can be found in
almost all industries, from civil engineering to
shipbuilding, in the oil, automotive and aviation
industries.

24. Steel is obtained mainly by processing cast iron
(an alloy of iron and carbon - 2-4%), which consists in
reducing the content of carbon and harmful impurities
(phosphorus, sulfur) to the required concentration.
The properties of steel depend not only on its
chemical composition, but also from heat treatment. This
is due to the fact that steel has a granular structure (the
size and shape of grains -crystals is determined by the
combination of iron and carbon molecules).
By heat treatment, it is possible to change the grain
size of the crystals and, therefore, change the properties
of the steel (except for low-carbon steels with a carbon
content of less than 0.3%).

25. Internal restructuring of steel crystals
(recrystallization) during heat treatment occurs in a way
of heating to critical temperature points:
723 - 770 - 910 - 1390 - 1535 °C.
This process is reversible: by gradually cooling, it is
possible to return the previous crystalline structure of the
steel. (except for the hardening process).
The main types of heat treatment are:
- hardening;
- annealing;
- normalization.

26. Steel, heated to a temperature of 750-810 °C, for
hardening purposes.

27. The melting temperature of steel is 1450 - 1520 ° C.

28. Melting process of steel

29. When solid steel is heated to temperatures of 530-1300 °C,
the process of glowing (heating) occurs - the emission of light
waves of different frequencies (different colors).
Glow of steel billets when they heated to a temperature of
over 1000 °C.

30. Incandescent colors - are the
colors of the glow of a metal
heated to a high temperature.
The spectrum of thermal
radiation depends on
temperature, therefore, by
observing the color of heat, one
can estimate the temperature of
the metal, which is often used
in heat treatment and forging.

31. Hardening - is the process of heat treatment, which
consists in heating steel to a temperature above the
critical one (in the range of 750-860 °C), holding and
subsequent rapid cooling (in water or with oil).
Annealing - is a type of heat treatment, which consists in
heating to a temperature of 200-600 °C, holding for a
certain time at this temperature and subsequent, usually
slow (together with the furnace) cooling to room
temperature.
The purpose of annealing - is to reduce the hardness of
steel to facilitate machine processing, achieve greater
homogeneity, and relieve internal stress.

32. Steel hardening Steel annealing

33. Normalization - is a type of heat treatment of steel,
similar to annealing. It consists in heating the product
and cooling it in the open air. At the same time, steels
with a low carbon content become softer and more
ductile, while steels with a high carbon content become
more elastic and harder.
Forging - is a high-temperature treatment of various
metals (iron, copper, titanium, aluminum and their alloys)
heated to the forging temperature. Each metal has its
own forging temperature, which depends on the physical
(melting point, crystallization) and chemical (the
presence of alloying elements) properties.
For iron, the temperature range is 1250-800 °С.

34. Normalization (heat
treatment) of steel
Machinary forging steel on a
hydraulic hammer

35. 3. CLASSIFICATION OF STEEL
Steels are classified:
1. By application:
I class – building steel (low carbon <0.25%, well
weldable (pipes, fittings, rivets);
II class – structural steel (building structures,
machine parts);
III class – tool steel (high carbon> 0.7%, high
strength and hardness);
IV class – steel with special properties (magnetic,
heat-resistant, stainless).

36. 2. By the content of alloying components (a.c.):
 carbonaceous - a.c. are not specially added;
 low-alloyed - the total content of a.c. up to 2.5%;
 medium alloyed - a.c. to. 2.5-10%;
 highly alloyed - a.c. to. more than 10%.

37. 3. By manufacture method:
 in open-hearth furnaces;

38.  in oxygen converters;

39.  in an electric arc furnace.

40. 4. By the degree of deoxidation:
 calm;
 semi-calm;
 boiling.
Deoxidation - is the process of
removing oxygen from molten steel.

41. 4. STEEL CLASSES AND GRADES
The steel class in Ukraine is adopted in accordance with SSTU
8539:2015 "Rolled steel for building steel structures“, and in
Europe in accordance with Eurocode 3 . The steel class is taken
depending on the design air temperature and groups of structures.
For example: class С245:
- C – steel (“сталь” – in Ukrainian language);
- 235 - yield strength of steel (MPa).
In Ukraine and Europe each class contains several brands,
which are indicated in an alphanumeric way:

42. Steel marking:
 mild steels:
BSt3b5, ASt3sc6, 18sc
- А, В – a category of steel that guarantees mechanical
properties and individual properties in terms of chemical
composition;
- 18 – carbon content up to 0,18 %;
- St3 – carbon content up to 0,22 %;
- b – boil steel, c – calm;
- 5 or 6 – steel categories.

43.  alloy steels:
09M2, 12M2S3, 10ChSNC
- 09, 12, 10 – carbon content up to 0,09%; 0,12% and 0,1%
respectively;
- M2 – manganese content up to 2%;
- S3 – silicon content up to 3%;
- Ch - chromium, N - nickel, C - copper.

44. СОРТАМЕНТ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ
КОНСТРУКЦИЙ
Это каталог профилей, поставляемых металлургическими
заводами. В строительных конструкциях применяются
следующие профили:
- толстолистовая и универсальная сталь 4…60 мм,длиной
до 12 метров (применяется для стенок и полок сплошных
балок, колонн и других конструкций);

45. - тонколистовая сталь 0,2…3,9 мм длиной до 5 метров
(кровли, настилы);
- стальной профилированный настил, сталь волнистая
(кровли, стеновое ограждение);

46. Профили создаются в заводских условиях на специальных
автоматизированных линиях
при помощи системы валков.

47. - рифленая, просечная сталь (рабочие площадки,
ступени лестниц);
Просечная сталь

48. Рифленая сталь

49. - фасонный прокат (уголки равнополочные и
неравнополочные, двутавры, тавры и швеллеры, трубы).
Швеллер
Уголок неравнополочный

50. Высота прокатного элемента в сантиметрах соответствует
номеру проката (применяются для всех видов конструкций)
Труба
Двутавр

51. сварные профили (элементы профиля соединяются
автоматической сваркой, например: у сварного двутавра
полки и стенка соединены сваркой).

52. гнутые профили имеют такие же формы, что и у
фасонных профилей.

53. СОЕДИНЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ
КОНСТРУКЦИЙ
Болтовые и заклепочные
(основаны на принципе
механического соединения)
Сварные, паяные и клееные
(основаны на принципе
диффузного соединения)

54. Болтовые и заклепочные Сварные, паяные и клееные

55. СВАРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ
Преимущества:
 низкая металлоемкость
(сечение не ослабляется
отверстиями);
 малая трудоемкость
(применение автоматических
видов сварки);
 обеспечение
непроницаемости соединения.

56. Недостатки:
 сварной шов является концентратором напряжения
(после остывания остаточные напряжения делают место
шва наиболее хрупким);
 выделение вредных газов (при масштабных работах эти
газы требуется отводить);
 высокая квалификация рабочих (для получения
качественных сварных швов – наиболее ответственное
место).

57. В зависимости от взаимного расположения
свариваемых элементов различают соединения:
- стыковые;
- угловые;
- тавровые
- нахлесточные.

58. Для обеспечения качественной стыковой сварки кромки
скрепляемых деталей обрабатываются в зависимости
от их толщины и вида сварки:

59. Для сварки конструкций применяются:
 ручная электродуговая сварка (наиболее
трудоемкий вид, ручной, соединения получаются более
низкого качества, но распространены за счет своей
универсальности: может производиться в любом
положении и в труднодоступных местах);

60.  автоматическая сварка (выполняется автоматом
с подачей сварочной проволоки, обеспечивается
глубокое и качественное проплавление деталей);

61. Сварка колец
тонкостенных бункеров
Аппарат для сварки газопровода
под водой
Сварочные автоматы для возведения и монтажа
уникальных сооружений

62. БОЛТОВЫЕ СОЕДИНЕНИЯ
Преимущества:
 экономичность (не требует дорогостоящего и сложного
оборудования.
 несложный монтаж (простота в установке);
 надежность.
Недостатки:
 ослабление сечения (отверстия под болты);
 большая металлоемкость (имеют стыковые накладки).

63. Болты подразделяются на обычные (грубой, нормальной
и повышенной точности) и высокопрочные. Отверстия
под болты выполняются продавливанием или
сверлением.
Размеры болтов и отверстий устанавливаются классом
точности монтажа конструкций.

64. Заклепки применяются для соединения элементов тяжелых
конструкций (водонапорных башен, бункеров и т.д.) и
легких деталей и элементов (ограждающие конструкции,
элементы фасадов).

65. Виды заклепок

66. Болтовые соединения соединяются:
а) внахлестку б) встык с накладками

67. Основной вид работы болтовых и заклепочных соединений
– это работа на сдвиг. Соединения могут разрушаться:
 от перерезывания стержней болтов по плоскостям среза;
 от смятия поверхностей отверстий соединяемых
элементов.

68. Расчет болтовых соединений ведется двумя способами:
 расчет по усилию (ведется из условий прочности болтов
на срез стержня болта или смятие металла соединяемых
элементов, т.е. определяется количество болтов, которое
требуется для заданного соединения).
Расчетное усилие, которое может воспринимать один болт,
определяется:
- при срезе Nbs=Rbs∙Ab∙ns∙b,
- при смятии металла Nbp=Rbp∙db∙t∙b,
- где Rbs, Rbp – расчетные сопротивления болтов на срез
и смятие соответственно;

69. Ab – площадь сечения стержня болта;
db – наружный диаметр болта, см;
ns – количество сечений срезов одного болта;
 t– наименьшая суммарная толщина соединяемых
элементов.
Число болтов в соединении определяется по формуле
n  NNmin
Nmin – наименьшее из значений расчетных усилий.

70.  расчет по площади (подбор площади сечения болтов,
в зависимости от заданной нагрузки). Выполняется
в том случае, если известно расчетное усилие
по прочности болтов на срез.
Необходимая площадь сечения болтов в соединении
определяется
Ab = Nbs  Rbs∙ns∙b,
При известной по ГОСТу площади одного болта (см2)
определяется требуемое количество болтов.

71. Болты в соединении располагаются по прямым линиям
— рискам, параллельным действующему усилию.
Расстояние между двумя смежными рисками
называется дорожкой, а расстояние между двумя
смежными по риске болтами — шагом.

72. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О БАЛКАХ
Стальные балки широко применяются в инженерных
конструкциях зданий и сооружений:
 для покрытий и междуэтажных перекрытий зданий;

73.  рабочих площадок и конструкций подкрановых балок
производственных зданий;

74.  в конструкциях мостов
и эстакад;

75.  в конструкциях
гидротехнических
сооружений: затворов,
шлюзов и т. д.

76. Основная форма поперечного сечения стальных
балок – двутавр, который применяется прокатным или
составным.
Составные балки применяются, если прокатные
оказываются недостаточно мощными.

77. Наиболее распространенными являются сварные
балки, образуемые из трех листов: вертикального,
называемого стенкой и двух горизонтальных, называемых
полками, которые привариваются к стенке.
Полка
Стенка

78. БАЛКИ И БАЛОЧНЫЕ КЛЕТКИ
Балочная клетка состоит из главных балок,
перекрывающих больший пролет, второстепенных балок и
настила.
Балочной клеткой называется конструкция
перекрытия или покрытия, которая состоит из системы
балок, расположенных в двух направлениях.
Колонна
Главная балка
Второстепенная балка

79. В качестве настила балочной клетки используются
металлические листы (рабочие площадки цехов),
железобетонные плиты (пустотные или ребристые) или
монолитное железобетонное перекрытие.

80.  металлические листы (рабочие площадки цехов);

81. железобетонные плиты (пустотные или ребристые)

82.  монолитное железобетонное перекрытие выполняется по
несъемной опалубке из профилированного настила.
Армирование перекрытия:
- отдельными стержнями;
- плоскими каркасами.

83. Расположение второстепенных балок в балочных
клетках решается несколькими способами:
- этажное (отметка верха второстепенных балок выше
отметки верха главных балок);
- пониженное (отметка
верха второстепенных балок
ниже отметки верха главных
балок);
- в одном уровне с
главными балками.

84. СТАЛЬНЫЕ КОЛОННЫ
Колонны являются одним из основных элементов
каркасов производственных зданий. В зависимости от
высоты и пролета здания, наличия подъемно-транспортного
оборудования, стальные колонны различаются на:
сплошные постоянного сечения (а);
сплошные переменного сечения (б);
решетчатые (в, г);
раздельные (д).

85. СЕЧЕНИЯ СТАЛЬНЫХ КОЛОНН
сплошные прокатные и сварные;
сплошные составные (из сварных и прокатных
элементов);

86. сквозные;
открытые и закрытые.

87. ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
СТАЛЬНЫХ КОЛОНН
Основные элементы колонн:
оголовок – это поверхность, на которую опираются
вышележащие конструкции (стропильные конструкции
покрытия). Состоит из опорной плиты толщиной 15…25 мм
и ребер жесткости, которые прикрепляются угловыми
сварными швами.

88. база – это конструкция, которая служит для крепления
колонны к фундаменту и обеспечивает равномерное
распределение нагрузки. Состоит из опорной плиты,
к которой приваривается колонна. Размеры плиты
определяются из условия прочности бетона фундамента
(местное сжатие или смятие). Площадь плиты
определяются по формуле A = NRb.

89. Конструкция базы бывает двух типов:
 с траверсой (10…20 мм)
 с фрезерованным торцом колонны.

90. Плита соединяется с фундаментом при помощи анкерных
болтов  20…30 мм.

91. СТАЛЬНЫЕ
ФЕРМЫ

92. ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ СТАЛЬНЫХ ФЕРМ
Ферма – это конструкция, состоящая из отдельных
стержней, которые соединяются в узлах и образуют
геометрически неизменяемую систему. Проектируются
плоскими и пространственными.
Основными элементами фермы являются верхний и
нижний пояс, которые соединяются между собой решеткой
(раскосов и стоек).

93. ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ СТАЛЬНЫХ ФЕРМ
Фермы широко применяются в разных отраслях
промышленности, что связано с универсальностью
неизменяемой системы:
 опорные линии электропередач;

94. Опоры ЛЭП в виде
одушевленных фигур
на лыжных трассах
Адлер-Сочи

95. мосты и эстакады;

96. подъемные краны.

97. ПОКРЫТИЯ ЗДАНИЙ
ПО СТАЛЬНЫМ ФЕРМАМ
В строительстве фермы применяются как
конструкции покрытия (стропильные конструкции).
Схемы покрытия:
 балочные несущие конструкции – прогоны
(швеллер, двутавр) и легкий кровельный ковер (сэндвич-
панели, профилированный лист);

98. Фрагмент крепления балочного покрытия к стропильной ферме
Сэндвич-панель настила заводской готовности

99.  железобетонные крупноразмерные плиты
покрытия, совмещающие функции прогонов и настила.

100. ТИПЫ ФЕРМ ПО ОЧЕРТАНИЮ РЕШЕТКИ
Очертания решеток ферм:
 а) сегментная;
 б) треугольная
 в) трапецоидальная;
 г) с параллельными
поясами.

101. КОНСТРУИРОВАНИЕ ФЕРМ
Сечения элементов ферм принимаются сплошными:
 спаренные или одиночные уголки, тавры;
 трубы или гнутосварные замкнутые профили.

102. Стержни ферм из труб стыкуются
без дополнительных элементов (рис. а), стержни решетки
из прокатных элементов соединяются с поясами
при помощи фасонок – соединительных пластин (рис. б).
Фасонка

103. Наличие соединительных
элементов (фасонок) и
соединений увеличивает
металлоемкость фермы
Сложная стыковка и обрезка
труб под нужным углом
затрудняет изготовление
фермы
Прокатное соединение  Трубчатое соединение