Материалы рам

Рамы велосипедов делают из следующих материалов:

Hi-Ten (Hi Tensile Steel) - высокопрочная сталь, это самый дешевый материал. В просторечии - водопроводная труба. Рама тяжелая и не катит. Не стоит вообще ничего. Велосипеды со стальными рамами стоят не более $300.

Cro-Mo (cromomolibden) - хромомолибденовые сплавы. Рамы из этого материала более легкие, чем из Hi-Ten, более жесткие, но и более дорогие. Хорошая хромолевая рама стоит от 500$. Дешевые же разновидности хроммолибденовых сплавов ничем не отличаются от hi-ten, ну чуть получше катят, чуть поменьше весят. Одно время производители взяли такую дурную моду: ставят только одну хромолевую трубу, а все остальные - hi-ten и гордо пишут, что рама из хроммолибденовых труб. Если ценник ниже 500$ - врут. Велосипеды с хромомолибденовыми рамами стоят от $1000.

Alu (Aluminium) - алюминиевые сплавы. Этот материал позволяет сделать еще более жесткую и во многих случаях более легкую раму, чем хромоль. Обычно используются сплавы 6061 ,7005 , реже Altec-2 , Magnesium , Scandium , причем последний безумно дорогой. Диапазон рам очень широк, от жутких по жесткости "табуреток", до полных "сосисок", от некатящих угробищ до прямо-таки реактивных снарядов. Хорошая тренировочная КК рама стоит 300-500$. Спортивные рамы - свыше $500. На велосипедах ценового диапазона ниже $700 рама не стоит практически ничего, за редким исключением кастомных комплектаций . Дешевые алюминиевые рамы (на велосипедах ценового уровня до 500$) для схожего применения не отличаются друг от друга ничем, кроме ростовки, длины и цвета. Небольшие различия в рамах начинаются при цене велосипеды свыше $700, и заметные отличия после $1200.

Ti (Titanium) - Титан. Очень прочный материал, но в то же время мягкий (в сравнении с Alu рамами, к примеру), что нравится далеко не всем. Перед покупкой титановой рамы имеет смысл сначала на ней поездить и понять для себя, нужно ли оно. Титановые рамы стоят от $400.

Carbon (углепластик). Это сверхлегкие рамы, но крайне неустойчивые к ударным нагрузкам. Стоят очень много, поэтому используются либо профи, либо теми, кто может себе это позволить. Технологии на месте не стоят, поэтому нестойкость к ударным нагрузкам в критических местах научились обходить чисто конструктивными решениями. Да и сами по себе карбоновые компоненты становятся прочнее и живут дольше, а цены снижаются. Например, на тайваньском заводе полностью карбоновая, с хоть как-то посчитанной геометрией, рама стоит ~$150; алюминиевая рама с карбоновыми перьями заднего треугольника со "стандартной" геометрией стоит $20-$30. Качество, сами понимаете - убийственное.. При выборе карбоновой рамы имеет смысл ориентироваться ТОЛЬКО на имя производителя, это должен быть серьезный брэнд.

Рулевая колонка

Размер 1 1/8" стал действующим стандартом рулевой колонки . Встречаются и другие размеры, типа 1 1/4", но это редкость.

Сейчас стандартными являются обычные и полуинтегрированные рулевые колонки. Функциональной разницы между ними нет, но полуинтегрированная немного полегче. Поэтому не заморачивайтесь.

Если рассматривать долговременную перспективу эксплуатации алюминиевой рамы, лет эдак восемь, при пробегах свыше 5000км в год и круглогодичном использовании, то следует предпочесть "обычную" рулевую колонку, потому что рулевой стакан рамы под полуинтегрированную рулевую колонку разобъется быстрее, чем стандартный. Естественно, если данная рама способна столько прожить.

Петух

Петух - это металлический кронштейн, на который крепится задний дерайлер. Бывает съемный и несъемный. Предпочтительно, чтобы он был съемным, т.к. в случае поломки вы просто поставите новый, а несъемный придется приваривать к раме. На подавляющем большинстве велосипедов дороже $300 петух съемный.

Велосипедная рама призвана удерживать руль перед владельцем, а колеса - под ним. Существует множество форм, металлов, цветов и конструкций рам. Именно рама должна быть первым существенным фактором при выборе всего велосипеда, как при его сборке, так и при выборе готового экземпляра в магазине. Ведь рама определяет предназначение, которое будет выполнять велосипед, посадку наездника, суть и тяжесть обвесов и креплений. Также это оказывает большое значение на конечный вес велосипеда. А какая разница, какого веса будет велосипед?

Велосипед с алюминиевой рамой

Какая разница, сколько весит велосипед

Существует три базовых параметра, которые влияют на вес велосипеда - его устойчивость на дорожном покрытии, управляемость во время маневров и инерция. Последний параметр учитывает не только саму инерцию, но и энергию, которую нужно затратить для ее компенсации. Как бы странно это не звучало, но когда падает вес велосипеда, то все эти показатели улучшаются. Здесь не работает правило - чем тяжелее, тем устойчивее, так как приходится часто менять центр тяжести, а инерцию сложнее компенсировать.

Так что вес всего велосипеда крайне важный параметр, а его рама несет большую часть веса.

Она может быть стальной рамой, алюминиевой или хромо-молибденовой. Иногда встречаются титановые экземпляры. Вес зависит не только от рамы, но и от всех частей комплекта в совокупности, а также от назначения велосипеда. Шоссейные варианты весят обычно 8-9 килограмм, горные варьируются - есть облегченные варианты с весом в 9 кг, средние взрослые аппараты весят до 11 кг, а экземпляры для даунхилла могут достигать среднего веса в 20 кг.

Отдельные спортивные велосипеды стоят дорого и весят строго выверенное количество кг, но слишком разнятся в зависимости от производителя и назначения, поэтому бессмысленно указывать средний их вес. Наиболее дешевые велосипеды-солянки из «Ашана» и других крупных гипермаркетов стоят мало, но комплектация у них как правило тяжелая, ненадежная и негармоничная. Кататься на таком будет неудобно, тяжело и он быстро придет в негодность, а ремонту они, как правило, не подлежат.

Стальная рама

Как стальная рама, так и рама из различных сплавов с участием стали имеют примерно одинаковый вес. Для того, чтобы рама была максимально прочной, в сплав добавляют хром или молибден. Такая добавка позволяет также делать необычные конструкции рамы - утонченные посередине и утолщенные к краям. Это делает раму более легкой и удобной, а интересный внешний вид привлекает внимание особенно в сочетании с оригинальным цветовым решением. По сравнению с алюминиевыми трубами для рамы эти получаются тоньше и эластичнее.

При использовании стальной рамы пропадает необходимость в установке на велосипед карбоновой вилки или рамы. Ведь чем будет гибче выполненная рама, тем дольше она будет служить своему хозяину. Для туристического велосипеда это будет лучшим вариантом, так как они недорогие, но при этом отлично поддаются мелкому ремонту. Проблема велосипеда из стали заключается в легком обретении коррозии и более тяжелым весом по сравнению с рамой из алюминия. К преимуществам этой рамы из такого материала можно отнести:

• Отличную инерцию - после того, как владелец прекратил крутить педали, велосипед долгое время сохраняет отличную скорость;
• Мягкая стальная рама - сталь смягчает силу удара и вибрацию, в сочетании с карбоновой вилкой превращает езду на велосипеде в сплошное удовольствие;
• Изгиб - часто рама из стали изгибается под непривычными углами, что отлично помогает на поворотах;
• Долговечность и отличная способность к ремонту материала - помочь сможет каждый второй сварщик.

Но такая рама имеет и небольшое количество недостатков, среди которых увеличенный вес - в самых облегченных вариантах такая рама будет весить на 1 - 1,5 кг больше, чем другие варианты.

Резкий разгон на такой раме тоже не получится.

Рама из алюминия

Сейчас чаще всего изготавливаются велосипеды с алюминиевой рамой. Такие экземпляры легче, более отзывчивы к неровностям дороги, недороги как в ремонте, так и в покупке, а еще они не подвержены коррозии. Жесткость и вес у такой рамы будет лучше, чем у стальной, но сам металл будет иметь меньшую плотность. Алюминиевая рама получается легкой и жесткой, хотя сам диаметр больше у трубы. Если сравнивать со сталью, то увеличение диаметра труб такой рамы приведет к более жесткому варианту, но вместе с тем и на порядок легче.

Ощущаться изменение жесткости практически не будет, но если это ощущается, то можно поставить на велосипед карбоновые вилки, которые будут смягчать дорогу.

Сломанная рама из алюминия

К преимуществам алюминиевой рамы можно отнести:

• Лучшее среди возможных соотношение между весом и стоимостью конечного результата. Самая низкосортная рама не весит больше 2 кг, а хорошего качества - не более 1,5 кг;
• Резкий и хороший разгон на любой местности;
• Алюминий не подвергается коррозии металла;
• Является лучшим вариантом для велосипедистов с большим весом.

Недостатки этой рамы прямо противоположны достоинствам рамы из стали.

1. Рама из такого материала не только быстро разгоняется, но и так же быстро теряет всю свою инерцию.
2. Она является жесткой - алюминий не может погасить вибрации при катании. В сочетании с ригидной вилкой и вовсе катание может превратиться в мучение.
3. Люди с маленьким весом с трудом будут на нем кататься.
4. Больше 10 лет такая рама не прослужит, так как накапливает свою усталость и в самый неподходящий момент просто лопнет.
5. Ремонту также подлежит далеко не каждая поломка такой рамы.

Выбор материала для рамы

John Olsen — Последнее изменение: 2010-07-02

Титан, углепластик, алюминий или сталь - Какой материал идеален для рамы?

Версия текста: 1.0

Оригинал перевода данной статьи находится здесь: http://velosamara.org.ru/ .
Перепечатка данного материала осуществлена с разрешения автора перевода.

От переводчика

Когда собрался писать статью про свойства разных материалов для рам — нашел в Интернете статью John Olsen про рамы из различных материалов. Мне она показалась интересной и не противоречащей моим понятиям о прочности (все-таки я по образованию — специалист по прочности и долговечности авиационных конструкций, проработал несколько лет в лаборатории прочности ЛА в КуАИ). Язык статьи показался мне вполне понятным для неспециалиста, что тоже большой плюс.

Честно говоря, не стал искать в русскоязычном Интернете перевод (может, и есть уже) и перевел статью сам. Olsen осветил большую часть проблем, о которых я собирался писать — не вижу смысла повторять то, что уже написано и вполне, на мой взгляд, понятно, толково и справедливо.

В статье не упоминаются принятые среди специалистов термины "удельная прочность" и "удельная жесткость", означающие отношения значений прочности или жесткости к плотности материала, и характеризующие, насколько материал прочный (или жесткий) в расчете на единицу веса, но косвенно дается понять, что эти характеристики приняты конструкторами во внимание.

И еще один момент — следует различать, когда идет речь о прочности (жесткости) материала, а когда — о тех же свойствах конструкции. В конструкции (раме) для увеличения прочности и жесткости увеличивают диаметр труб, меняют форму их сечения, применяют различную (в том числе переменную по длине трубы) толщину стенок и т.д. — и все это — для компенсации недостаточных свойств материала. С другой стороны, труба большего диаметра обычно весит больше, чем такая же, но меньшего диаметра и из того же материала — но большая труба жестче. Есть еще и технологические факторы, не затронутые в данной статье (легкость в обработке, свариваемость и т.д.), но влияющие на выбор конструктора.

Со своей стороны, я решил написать .

Введение

Жесткость, вес и прочность велосипедных рам определяются множеством факторов, только некоторые из которых определяются исключительно свойствами материала. Конструкция рамы, оптимальная для одного материала, будет отличаться от оптимальной для другого, поскольку материалы сильно различаются по прочности, жесткости и плотности (весу).

Лучшие алюминиевые рамы имеют толстые тонкостенные трубы и не изгибаются из стороны в сторону, когда вы разгоняетесь. Лучшие стальные рамы имеют тонкостенные трубы малого диаметра и заметно изгибаются при разгоне. Титановые и углепластиковые (карбоновые) рамы находятся посередине между ними.

Опытные велосипедисты часто делятся на два лагеря, сторонники стальных рам критикуют излишнюю жесткость алюминиевых рам и их фанатов, порицающих гибкость легких стальных рам. Мы объясним преимущества и неудобства большинства материалов рам и сравним их на графике, отражающем, насколько они жесткие по сравнению со сталью.

Насколько жесткий ваш байк?

Сравнение жесткости (относительно стали) для различных материалов рам

Сталь

Сталь жесткая, но плотная (тяжелая). Легкие рамы адекватной жесткости и прочности делают из труб относительно маленького диаметра, но сталь — неподходящий материал для легких рам или больших сильных наездников. Стальные рамы из низкопрочных сталей (недорогие) нуждаются в толстостенных трубах, чтобы быть достаточно прочными, и они тяжелы. Более прочная сталь позволяет изготавливать тонкостенные трубы, но тогда понижается жесткость. Последние разработки включают "закаливаемые на воздухе" стали очень высокой прочности, типа Reynolds 853. (В отличие от большинства других типов сталей, закаливаемые воздухом стали приобретают, а не теряют прочность, когда они охлаждаются после сварки). Все стали имеют ту же самую жесткость, независимо от прочности — 853 не более жесткая, чем 1010 (низкопрочная сталь).

Плюсы:

• Лучшие стальные сплавы очень прочны
• Лучшая жесткость повсюду
• Долговечны
• Закаливаемые на воздухе стальные сплавы делают возможным ультравысокую прочность

Минусы:

• Должны быть тяжелыми — материал, неподходящий для больших легких рам
• Ржавеют

Алюминий

Алюминиевые рамы могут быть очень жесткими и легкими, потому что плотность алюминия очень мала, но трубы рамы должны быть больше в диаметре для компенсации более низкой прочности. Однако сегодня эти "толстотрубные" рамы — распространенная конструкция для качественных велосипедов. Недавние усовершенствования включают добавки в сплав Скандия, элемента, который увеличивает прочность. В целом, алюминий — хороший материал для жестких, легких рам для райдеров всех размеров. Это — также один из двух материалов, которые хорошо подходит для рам нетрадиционных форм.

Плюсы:

• Втрое менее плотный, чем сталь, позволяет использовать большие ("толстые") трубы
• Легко принимает аэродинамические формы
• Даже дешевые рамы могут быть легкими
• Позволяет изготовить легкую раму для крупного райдера
• Не ржавеет

Минусы:

• От одной трети до половины прочности лучших сталей (может сломаться)
• Одна треть жесткости любой стали, требуются трубы большого диаметра
• Скромная усталостная прочность
• Не легко ремонтируется или восстанавливается
• Большие, тонкие трубы легко повредить при аварии

Титан

Титан имеет превосходный баланс свойств для создания рам, и дает лучшую комбинацию долговечности и веса. Сплавы титана наполовину столь же жесткие как сталь, но также и вполовину менее плотные. Лучшие сплавы титана сопоставимы по прочности с самыми прочными сталями. Жесткие титановые рамы требуют труб большего диаметра, чем сопоставимые стальные рамы, но не столь большого диаметра, как алюминий. Титан — очень коррозионно стойкий, и очень легкие рамы могут быть сделаны достаточно жесткими и достаточно прочными для больших райдеров. Большинство титановых рам — из сплава 3Al/2.5V (3% алюминия/2.5% ванадия, остальное — титан), хотя все чаще используется более прочный сплав 6Al/4V (6% алюминия/4% ванадия, остальное титан).

Плюсы:

• Половина плотности стали, делает самыми легкими наиболее эластичные рамы
• Столь же прочный, как и большинство сталей
• Не ржавеет — никакая окраска не требуется
• Хорошие усталостные свойства
• Позволяет изготавливать легкие рамы для крупных райдеров

Минусы:

• Половина жесткости стали (также известна как излишняя гибкость)
• Сложен в ремонте и обработке
• Дорогой

Углепластик

Отдельные волокна углерода чрезвычайно прочны и жестки, но эти их свойства бесполезны, если волокна не выстроены в строгую структуру и не скреплены между собой сильным "клеем" (обычно эпоксидная смола). В отличие от металлов, в которых прочность и жесткость являются почти теми же самыми во всех направлениях, композиты из углеродных волокон могут производиться с более высокими прочностными и жесткостными характеристиками в тех направлениях, где это нужно (например, жесткий по сторонам и гибкий вертикально). Это — лучший материал для рам нетрадиционных форм, поскольку позволяет формоваться и настраивать свои свойства как ни один металл (путем создания многослойных конструкций с разноориентированными волокнами).

Плюсы:

• С готовностью формуется в экзотические формы
• Превосходная усталостная прочность
• Не ржавеет
• Прочность и жесткость контролируются на стадии создания рамы
• Низкая плотность и высокая прочность делают возможным создание очень легких и прочных рам

Минусы:

• Очень дорогой материал
• "Бомба" — если изделие плохо разработано или изготовлено (слишком жесткое или слишком гибкое) — может быть "чувствительным" (склонным к поломке).

Велосипеды с алюминиевой рамой - одни из самых распространенных на современном рынке. Обусловлено это легкостью материала в сочетании с низкой себестоимостью. Если у стали удельная масса составляет 7,8 грамма на кубический сантиметр, то у алюминия этот показатель - порядка 2,7 грамма. По утолщению стенок этот материал также выигрывает у железа, поскольку минимальный параметр составляет 0,8 мм, при этом весить изделие будет меньше, чем стальная рама толщиной 0,4 мм. Надежность дополнительно увеличивается благодаря отсутствию сварных швов. Кроме того, могут выполняться в различных конфигурациях. Рассмотрим их особенности, преимущества и недостатки.

Описание

Велосипеды с алюминиевой рамой благодаря малому весу быстрее набирают скорость, на них легче преодолевать подъемы. По этой же причине байк быстрее останавливается после того, как наездник перестает крутить педали. Алюминий в чистом виде не используется, под этим материалом подразумевается сплав его с цинком, марганцем, никелем, медью или магнием.

На таких велосипедах сложнее входить в крутые повороты, поскольку они жестче стальных аналогов, не так хорошо могут изгибаться. По причине жесткости рамы энергия от усилий велосипедиста передается на колеса с меньшими потерями. Такие тонкости играют роль для профессионалов, у любителей это не критичный показатель. Заметной становится более жесткая и менее комфортная езда. Велосипеды с алюминиевой рамой практически не гасят колебания, передаваемые на седло и руль на неровных поверхностях и кочках. Для такого байка требуется хороший амортизационный узел и удобное седло. Это позволит часть ударов нивелировать, что благоприятно скажется на перемещении.

Плюсы

Начнем с преимуществ рассматриваемого изделия. К ним относятся:

• Небольшая масса, позволяющая улучшить скоростные характеристики и разгон.
• Максимальная устойчивость к коррозийным процессам.
• Высокие ходовые характеристики даже при движении на подъем.

Минусы

Велосипеды с алюминиевой рамой имеют ряд недостатков, а именно:

• Высокую жесткость, что особенно ощущается на моделях без амортизационной вилки.
• Быструю потерю наката. По причине малого веса байк останавливается быстрее, чем аналог со стальной рамой, после того как велосипедист прекращает крутить педали.
• Небольшой рабочий ресурс при активной эксплуатации. Уже через несколько лет могут появиться трещины. Изготовители дают гарантию от 5 до 10 лет, но после этого срока рекомендуется смазывать деталь для проверки возможных деформаций.
• При падении на алюминиевой раме выше вероятность появления вмятин.
• Плохую ремонтопригодность. Сварить такую деталь весьма проблематично, лучше приобрести новую.
• Довольно высокую цену.

Складные велосипеды с алюминиевой рамой

Ниже перечислим несколько популярных марок этого типа и назовем их краткие характеристики:

1. Дорогой городской байк Strida SX отличается оригинальным экстерьером. Он складывается до размеров компактной тележки, которую можно транспортировать своим ходом. Руль также может трансформироваться. К плюсам велосипеда относится то, что тросы и провода спрятаны в полости рамы, его легко собирать, имеется багажник, дисковые тормоза. При хорошей маневренности аппарат весит всего 11,6 кг. Среди минусов - небольшая грузоподъемность, узкие колеса, плохая амортизация.
2. Smart 20. Стильный городской байк, считается одним из лучших в своей ценовой категории. Может без проблем эксплуатироваться женщинами. Среди достоинств - прочная рама, удобный механизм трансформации, наличие катафотов и прочих аксессуаров. К недостаткам относится отсутствие ручного тормоза и качество центровки крыльев.
3. Велосипед «Стелс». Алюминиевая рама модели «Пилот-710» не мешает мягкости хода. Транспорт хорошо набирает скорость накатом, имеет сдержанный дизайн, в сложенном положении помещается в багажный отсек любого автомобиля, оснащается в базовой комплектации багажником и защитой цепи. Недостатки заключаются в наличии широкого руля и неудобной посадке для высоких людей. Целевое предназначение модификации - городские поездки.

Детские велосипеды с алюминиевой рамой

Ниже представлено краткое описание некоторых детских и подростковых моделей:

• Mars. Этот на детей от 3 лет. В комплекте идут дополнительные полиуретановые колеса. Рама и вилка изготовлены из алюминиевого сплава, имеется регулятор высоты руля. Диаметр колес - 12 дюймов, масса модели - 4,5 кг.
• Forward Timba‏. Один из лучших для детей 6-9 лет. Обладает красивым дизайном, доступной ценой, защитой цепи и съемными страховочными колесами. К недостаткам можно отнести приличный вес (почти 14 кг), а также необходимость регулировки некоторых подвижных узлов.
• Shulz Max. Эти детские велосипеды с алюминиевой рамой относятся к средней ценовой категории. Масса байка составляет 14,3 кг. Ориентирован он на подростков 12-16 лет, имеет грузоподъемность до 110 кг. Преимущества модели заключаются в удобстве сборки/разборки, хорошем наборе скорости, оснащении 20-дюймовыми колесами и качестве. Среди минусов - некорректная заводская регулировка, тормозные колодки сомнительного качества.

Особенности

При выборе байка часто возникает вопрос о том, алюминиевую или стальную раму велосипеда выбрать. Итоговое решение зависит от финансовых возможностей покупателя, предназначения машины и субъективных требований пользователя. Стоит отметить, что при изготовлении алюминиевых конструкций применяются толстостенные трубы большого диаметра.

Это связано с тем, что, по законам физики, если размер трубы увеличить в два раза, ее жесткость повысится в восемь раз, а при увеличении толщины стенки в два раза показатель жесткости увеличивается на такую же величину. Следовательно, из имеющихся вариантов повышение диаметра предпочтительнее.

Как правило, минимальная толщина стенки трубы на алюминиевой раме составляет 0,8 мм. Часто производители делают трубы методом баттирования или использования разных сечений, что также позволяет усилить изделие.

Используемые сплавы

Существует множество алюминиевых сплавов, из которых делают рамы для велосипедов. Наиболее распространенными являются марки 7005Т6 и 6061Т6. Индекс Т говорит о том, что материал прошел термическую обработку. К примеру, изделие из сплава 6061 нагревается до 530 градусов по Цельсию, затем активно охлаждается жидкостью. Далее на протяжении 8 часов материал искусственно старится при температуре 180 градусов. На выходе получается 6061-Т6. Аналог под номером 7007 охлаждается воздухом, а не водой.

Ниже приведены сравнительные характеристики материалов до и после термообработки (в скобках):

• Сплав 2014 (2014Т6) - прочность на разрыв составляет 27 (70) тыс. PSL, предел текучести - 14 (60), процент удлинения - 18 (13), твердость по Бринеллю - 45 (135).
• Аналогичные показатели материала 6061 (6061Т6) - 18 (45), 8 (40), 25 (17), 30 (95).

В первом сплаве используется 4,5 % меди, 0,8 % углерода и марганца, 0,5 % магния. Второй материал включает в себя 1 % магния, 0,6 % кремния, 0,3 % меди, 0,2 % хрома, около 0,7 % железа.

В заключение

Прочнее всего велосипед 16”, алюминиевая рама которого сделана из сплава 70005 или 7005. Тем не менее аналог 6061 технологичнее, что позволяет изготавливать из него трубы со сложным сечением, а это повышает прочность изделия. Кроме того, такой алюминий лучше поддается сварке. При выборе рамы учитывайте финансовые возможности и предполагаемое использование велосипеда. При правильной эксплуатации байк с рамой из любого материала, включая сталь, алюминий или карбон, прослужит довольно долго.

Рамные металлические конструкции отличаются большим разнообразием статических схем, количеством пролетов, конфигурацией и т.д., что позволяет строить здания самого различного назначения и размеров.

На рисунке 3.2.1 приведены некоторые типы плоских и пространственных стальных рамных конструкций. Статические схемы рамных конструкций приведены на рис.3.2.2.

Чаще всего сечения рамных конструкций выполняют сплошными двутаврового или коробчатого сечения. Некоторые возможные варианты сплошных сечений стальных рам приведены на рисунке 3.2.3.

Использование того или иного вида рам, их статической схемы и типа сечения определяется размерами и конфигурацией проектируемого здания, наличием соответствующего технологического оборудования для изготовления конструкций и другими факторами.

В зависимости от расчетной схемы рамы ригели выполняют постоянного или переменного сечения. В двухшарнирных рамах (рис. 3.2.2 в) высоту ригеля постоянной высоты принимают равной 1/30-1/40 пролета. Стойки обычно имеют переменное сечение, уменьшающееся к опорам.

При пролетах более 50-60 м экономичны сквозные (решетчатые) рамы (рис. 3.2.4). В двухшарнирных сквозных рамах с шарнирным сопряжением стоек и фундаментов высоту ригеля рамы принимают в пределах 1/8-1/15 пролета.

Бесшарнирные сквозные рамы, используемые обычно в покрытиях ангаров, имеют очень большие пролеты (120-150 м). Высоту ригеля в таких рамах принимают равной 1/12-1/20 пролета. В ангаростроении применяются также двухконсольные и одноконсольные рамы. Одноконсольные рамы целесообразны в навесах спортивных сооружений. В зданиях пролетом 40–50 м и высотой 16–20 м можно применять сквозные двухшарнирные рамы с ломаным ригелем (рис. 3.2.1 з) постоянной высоты, равной 1/15-1/25 пролета.

Решетку ригелей сквозных рам обычно принимают треугольной. Стойки рам могут быть запроектированы сплошными (рис. 3.2.4 а) или решетчатыми (рис. 3.2.4 б). Решетчатые стойки могут иметь треугольную или раскосную решетку. Сечения стержней и узлы сквозных рам конструируют аналогично фермам больших пролетов. Однако наиболее целесообразно применение гнутых профилей прямоугольного сечения.

Ниже даны примеры применяемых в производственных зданиях типовых рамных конструкций.

Рис.3.2.1. Типы рамных конструкций

а – каркас из плоских рам; б – из пространственных рам; в – пространственный каркас из плоских рам и силовых пространственных связей; г – однопролетная рама; д – многопролетная рама; е – П-образная рама; ж – рама с уклоном стоек и ригелей; з – рама полигонального очертания

Рис.3.2.2. Статические схемы рамных конструкций.

а – двухшарнирная рама; б – трехшарнирная рама; в – рама с жестким опиранием стоек на фундаменты и жесткими узлами сопряжения ригеля со стойками; г – рама с жестким опиранием стоек на фундаменты и шарнирными узлами ригель-стойка; д – рама с шарнирно опертыми крайними и промежуточными стойками, жесткими узлами сопряжения ригелей с крайними стойками и шарнирным сопряжением со средними; е, ж – рамы с разрезными или неразрезными ригелями, шарнирно опертыми на защемленные стойки; з – рама с развитой средней стойкой, выполняющей роль ядра жесткости; и -, к – смешанные схемы.

Рис.3.2.3. Типы сечений рамных конструкций.

а – из сварных двутавров постоянного или переменного сечения с плоскими стенками; б – из прокатных двутавров переменной высоты, образованных из обычных путем диагонального роспуска и сварки; в – из прокатных двутавров без усиления и с усилением вутами; г – из сварных двутавров с гофрированной стенкой; д – коробчатое сечение (тип «ПЛАУЭН» или «ОРСК»).

Рис. 3.2.4. Типы решетчатых рам

а – со сплошными стойками; б – с решетчатыми стойками

Рамные конструкции по серии 1.420.3-15 «Стальные рамные конструкции каркасов типа «Канск» одноэтажных производственных зданий с применением несущих рам из прокатных широкополочных и сварных тонкостенных двутавровых балок» разработаны для одноэтажных зданий с пролетами 18 и 24 м, количеством пролетов от одного до пяти и высотой до нижнего пояса ригеля 4,8 – 10,8 м. Шаг рам для однопролетных зданий принят 6 м, а для многопролетных – 6 и 12 м.

Здание может быть оборудовано подвесными кранами грузоподъемностью от 1 до 3,2 т или мостовыми опорными кранами легкого и среднего режимов работы грузоподъемностью от 5 до 32 т.

Для конструкций типа «Канск» разработано два варианта решения торцов:

С наличием в торце рам, смещенных на 500 мм во внутрь, и ненесущего фахверка;

Вместо рам в торце устанавливают торцевой несущий фахверк, включающий стойки, горизонтальные балки и вертикальные связи.

Вариант с ненесущим фахверком применяют в тех случаях, когда предполагается в будущем расширение здания, при этом торцевые рамы будут выполнять функцию спаренных рам температурного шва. Второй вариант целесообразен, если дальнейшее строительство не предусмотрено.

Ригели рам запроектированы из тонкостенных сварных балок, а стойки – из прокатных широкополочных двутавров. Сопряжение ригелей и стоек однопролетных рам выполняется жестким. Ригели многопролетных рам соединяются с колоннами крайних рядов шарнирно, а с колоннами средних рядов – жестко.

Стойки несущего фахверка запроектированы из холодногнутых тонкостенных профилей коробчатого сечения или из составных С-образных профилей.

В зданиях с подвесными кранами крановые пути в торце здания крепят к стойкам фахверка или к поддерживающим стальным балкам.

В зданиях с мостовыми опорными кранами устанавливают встроенную крановую эстакаду, состоящую из жестко закрепленных на фундаментах стоек и уложенных по ним типовых подкрановых балок.

В продольном направлении жесткость здания обеспечивается вертикальными связями, устанавливаемыми по каждому ряду колонн и стоек крановой эстакады в середине температурного блока длиной не более 72 м.

Все монтажные узлы каркасов типа «Канск» согласно серии приняты болтовыми, что исключает применение сварки на строительной площадке.

Схемы расположения элементов каркаса и узлы стальных конструкций типа «Канск» приведены на рисунке 3.2.5 – 3.2.7.

Рис. 3.2.5 . Рамные конструкции типа «Канск»

Рис. 3.2.6. Конструктивные узлы рамных конструкций типа «Канск»

Узлы замаркированы на рисунке 3.2.5.

Рис. 3.2.7. Конструктивные узлы и крепление крановых путей для рамных конструкций типа «Канск»

Рамы из двутавров переменного сечения (шифры 828 КМ, 828 КМ-1, 941 КМ, 961 КМ) применяются в одноэтажных однопролетных производственных зданиях пролетами 18 и 24 м и с отметкой верха ригеля рам 6,940 и 8,140 м без светоаэрационных фонарей. Шаг рам принят 6 м. Здания могут быть оборудованы подвесными кранами грузоподъемностью до 3,2 т.

Каркас здания с рамными конструкциями состоит из поперечных рам, прогонов, вертикальных связей и распорок по стойкам рам, стоек и балок торцевых фахверков.

Элементы переменного двутаврового сечения в ригеле и стойках изготавливаются из прокатных двутавров с параллельными гранями полок путем их продольного роспуска по наклонной линии на тавры переменной высоты.

Сопряжение стоек с фундаментом принято шарнирным. Сопряжения элементов в карнизных и коньковом узлах приняты жесткими и выполняются на фланцах толщиной 25 мм с применением высокопрочных болтов.

Жесткость каркаса в поперечном направлении обеспечивается работой рам, в продольном направлении - вертикальными крестовыми связями и распорками по каждому ряду стоек рам, обеспечивающими устойчивость стоек из плоскости рам.

Уклон верхнего пояса ригеля принят 0,025 при использовании типовой рулонной кровли и 0,100 при использовании кровельных панелей с металлическими обшивками.

Несущий торцевой фахверк запроектирован из широкополочных двутавров.

Схемы рам и узлы сопряжения элементов рамной конструкции приведены на рисунке 3.2.8.

Рамы из двутавров переменного сечения находят широкое применение в конструкциях производственных и общественных зданий. В качестве примера можно привести также рамные конструкции «АСТРОН».

В них используются сварные двутавры как переменного, так и постоянного сечения. Разработаны однопролетные здания с величиной перекрываемых пролетов до 72 м. При наличии дополнительных внутренних опор перекрываемые пролеты могут достигать 150 м. Шаг рам принимается от 5 до 12 м. Высота по водосточному желобу может достигать 20 м. При необходимости могут быть разработаны рамы других геометрических размеров.

Здания могут быть оборудованы мостовыми опорными кранами грузоподъемностью до 20 т.

Рамы, как правило, крепятся к фундаменту шарнирно. Однако при необходимости соединение может быть жестким. Торцевой фахверк выполняется несущим из сварных или горячекатаных стоек и ригелей. Прогоны покрытия приняты из холодногнутого оцинкованного Z-профиля.

Пример здания из рамных конструкций «АСТРОН» приведен на рисунке 3.2.9.

Рис. 3.2.8. Стальные рамные конструкции из двутавров

переменного сечения

Система каркаса из плоских рам коробчатого сечения типа «Орск» (шифр 135, серия 2.420-4 вып.3) состоит из однопролетных поперечных рам, располагаемых с шагом 6 м, прогонов, вертикальных связей, стоек и балок торцевых фахверков. В многопролетных зданиях конструкции типа «Орск» применять не рекомендуется.

Конструкции каркаса разработаны для отапливаемых зданий пролетами 18 и 24 м, имеющих высоту до верха ригеля рам на опоре 6980 мм и 8180 мм. Применяются в бесфонарных зданиях и в зданиях с зенитными фонарями, бескрановых и с мостовыми кранами грузоподъемностью 5 т. Уклон ригеля рамы принят 1,5%.

Сопряжение стоек рам с фундаментами принято шарнирным. Сопряжения элементов в коньковом и карнизных узлах приняты жесткими и выполняются на фланцах толщиной 16 мм с применением высокопрочных болтов.

Схемы и узлы рамных конструкций типа «Орск» приведены на рисунках 3.2.10 и 3.2.11.

Стальные каркасы типа УНИТЕК одноэтажных производственных зданий с применением конструкций из гнутосварных труб разработаны для применения в отапливаемых и неотапливаемых зданиях без кранов, с подвесными кранами грузоподъемностью от 1 до 5 т и с мостовыми опорными кранами грузоподъемностью 5, 10 и 16 т с режимами работы 1К-5К с неагрессивной или слабоагрессивной средой при относительной влажности внутри помещения не более 70%.

Подвеска кранов производится симметрично относительно центральной оси пролета рамы. В торцах здания с подвесными кранами крановые пути опираются на балки либо непосредственно на стойки несущего фахверка.

В качестве ограждающих конструкций, как правило, применяются панели с обшивкой из профилированного листа или конструкции послойной сборки для отапливаемых зданий и профилированный лист для неотапливаемых зданий.

Основными несущими конструкциями каркасов УНИТЕК являются сквозные одно- и многопролетные рамы из гнутосварных труб. Шаг основных несущих конструкций 6 м. При необходимости, при больших вертикальных нагрузках (снеговой мешок и др.) шаг рам может быть уменьшен.

Сопряжение конструкций крайних стоек рам с фундаментом шарнирное, средних стоек рам и стоек фахверка - жесткое.

Сопряжение ригеля рамы с крайними стойками жесткое, со средними стойками - шарнирное.

Отметка низа несущей конструкции ригеля в месте сопряжения с крайней стойкой рамы (Н ) предусмотрена от 4,8 до 14,4 м.

Привязка крайних стоек к продольным осям принимается «0» или «250» для пролетов 12 - 18 м в зависимости от возможности размещения подвесного крана. В бескрановых зданиях пролетом 21-30 м принимается нулевая привязка.

Длина температурного блока не более 96 м.

В торце здания устанавливается несущий торцевой фахверк, состоящий из стоек и балок. Жесткость системы фахверка обеспечивается постановкой системы гибких связей и распорок. В случае предполагаемого расширения

здания в торце устанавливается основная несущая рама с самонесущими стойками фахверка.

Устойчивость и геометрическая неизменяемость здания обеспечивается:

в поперечном направлении – конструкциями несущих рам;

в продольном направлении - системой вертикальных связей и распорок.

Жесткость покрытия обеспечивается системой горизонтальных связей и распорок по ригелю рамы.

Прогоны покрытия выполнены по разрезной схеме. Шаг прогонов покрытия принимается равным 1.5 или 3.0 м в зависимости от нагрузки на покрытие и несущей способности кровельных ограждающих конструкций. При шаге прогонов 1,5 м решетка ригеля выполняется с дополнительными стойками. Сечения прогонов покрытия приняты из прокатных и гнутых швеллеров.

Прогоны стен выполнены по разрезной схеме. Шаг стеновых прогонов назначается от 1.2 до 3.0 м кратным 0.6 м в соответствии с расположением окон, ворот и других проемов, а также в зависимости от вертикальной и горизонтальной нагрузок и несущей способности стеновых ограждающих конструкций. Сечения стеновых прогонов приняты из прокатных и гнутых швеллеров, а также из гнуто-сварных труб.

Горизонтальные и вертикальные связи по каркасу и фахверку - крестовые гибкие из круглой стали Ø 20 и Ø 24 мм.

Распорки между рамами выполняются из гнутосварных труб.

Все заводские соединения - сварные. Монтажные соединения на втулках и на обычных и высокопрочных болтах.

Габаритные схемы зданий с подвесными кранами приведены на рисунке 3.2.12 , конструктивные узлы сопряжений для рам – на рисунках 3.2.13 и 3.2.14.

Здания, оборудованные мостовыми опорными кранами грузоподъемностью 5, 10 и 16 т, могут быть одно - или двухпролетными с величиной пролетов 12 и 18 м с отметкой до низа ригеля Н от 6,0 до 14,4 м.

Стальные арки также могут иметь сплошное или сквозное сечение.

Сплошные арки обычно имеют постоянное сечение и применяются при пролетах до 60 м (рис. 3.2.15). Высота сечения таких арок (h ) обычно принимается равной 1/50 - 1/80 от пролета (L ). При пролетах более 60 м обычно применяют сквозные (решетчатые) арки. Высота сечения в этом случае составляет 1/30-1/60 от пролета. Геометрические схемы и типы сечений сквозных рам приведены на рис. 3.2.16 .

Наибольшее распространение получили металлические арки, работающие по двухшарнирной схеме. Конструкция опорного шарнира определяется пролетом арки и величиной действующей нагрузки. На рисунке 3.2.17 а приведена наиболее простая конструкция (с помощью плиточного шарнира), характерная для легкой арки сплошного сечения.

Рис. 3.2.10. Стальные рамные конструкции коробчатого сечения типа «Орск

Рис. 3.2.11. Схемы торцов, расположения прогонов и вертикальных связей в зданиях со стальными рамными конструкциями коробчатого сечения типа «Орск»

Рис. 3.2.12. Габаритные схемы зданий с применением

рам УНИТЕК

Наиболее сложное решение, с помощью балансирного шарнира, имеют опорные узлы тяжелых большепролетных арок (рис. 3.2.17 б). Т.к. вблизи опоры сечения сквозных арок переходят в сплошные, опорные узлы таких арок выполняются аналогично.

Рис. 3.2.13. Карнизный и опорный узлы рамы УНИТЕК

(узлы замаркированы на рис. 3.2.12)

Рис. 3.2.14. Узлы крепления балки подвесного пути

и стойки фахверка к ригелю рамы

Рис. 3.2.15 . Конструктивная схема и типы сечений сплошных арок