5. Материал металлических конструкций

В целях унификации все стали, применяемые в строительстве, делятся на три группы прочности:

обычной прочности R_un = 365 – 390 МПа;

повышенной прочности R_un = 430 – 540 МПа;

высокой прочности R_un >590 МПа.

Механические свойства стали и ее свариваемость зависят от химического состава, вида термической обработки и технологии прокатки.

Химический состав стали характеризуется процентным содержанием в ней различных компонентов и примесей.

Углерод (У) – повышает предел текучести и временное сопротивление стали, но уменьшает пластичность и ухудшает свариваемость. Поэтому в строительстве используют только низколигированные стали (У 0,25 %).

Кремний (С) – повышает прочность, но ухудшает свариваемость и коррозионную стойкость.

Марганец (Г) – увеличивает предел текучести и временное сопротивление, незначительно снижая пластические свойства стали.

Медь (Д) – несколько увеличивает прочность стали и стойкость ее против коррозии.

Лигирующими компонентами, улучшающими те или иные механические свойства стали, являются также никель, хром, ванадий, алюминий, титан, бор.

К вредным примесям относятся:

Свободный фосфор (П) – резко уменьшает пластичность и ударную вязкость стали, а также делает ее хладоломкой.

Сера – уменьшает прочностные характеристики.

Кислород и водород – ухудшают структуру стали и способствуют увеличению ее хрупкости.

В качестве основных показателей, используемых в стальных конструкциях, применяются понятия нормативного сопротивления и расчетного сопротивления материала. Они зависят от марки стали, способа раскисления стали (кипящая, полуспокойная, спокойная), формы и толщины проката.

Выбор марки стали для конкретной конструкции производится в соответствии со СНиП II-23-81^ в зависимости от группы конструкций и зоны строительства по расчетным зимним температурам.

Все конструкции делятся на 4 группы:

• сварные конструкции, испытывающие непосредственные воздействия динамических, вибрационных или подвижных нагрузок;

• сварные конструкции, работающие при статических нагрузках при наличии растягивающих напряжений (растяжение, изгиб);

• сварные конструкции, работающие на статическую нагрузку с преобладанием сжимающих напряжений;

• вспомогательные конструкции.

Если конструкции не сварные, а выполнены на болтах или заклепках, то конструкции переносятся в смежную группу.

Климатический район строительства определяется расчетной температурой наиболее холодной пятидневки:

район I₁ - 50 > t  - 65⁰

I₂, II₂, II₃ - 40 > t  - 50⁰

II₄ - 30 > t  - 40⁰

II ₅ и др. t  - 30⁰.

5.1. Концентрация напряжений

Концентрацией напряжений называется местное резкое изменение напряженного состояния, вызванное особенностями конструктивной формы или характером нагрузки.

Если в напряженном элементе есть отверстия, выточки, резкий переход от одного сечения к другому, то силовой поток внутри элемента в этих местах будет сгущаться и искривляться, обходя препятствия. Напряжения у этих мест будут распределяться неравномерно, величина наибольших пиковых напряжений будет значительно больше среднего равномерно распределенного напряжения. Чем острее надрез или выточка, тем больше пиковые напряжения и искривления силового потока (рис. 13), а также тенденция перехода стали в хрупкое состояние.

Резко увеличивается опасность хрупкого разрушения при динамической и вибрационной нагрузках.

Хрупкость зависит от химического состава стали и способа ее разливки, имеет значение толщина проката. Чем толще сталь, тем выше ее склонность к хрупкому разрушению.

Показателем, характеризующим хрупкость металла, является ударная вязкость – работа, затраченная на маятниковом копре для разрушения специального стандартного образца. Чем больше ударная вязкость, тем меньше хрупкость материала. Ударная вязкость уменьшается при понижении температуры, а также после наклепа и старения.

Рис. 13. Концентрация напряжений

Повышение предела упругости с одновременным увеличением хрупкости в результате предшествующей пластической деформации называется наклепом.

Старением называется изменение свойств материала с течением времени.

Отношение максимального напряжения в месте концентрации к условному равномерно распределенному в данном сечении напряжению называют коэффициентом концентрации:

_k = _max,k / ₀.

При круглом отверстии: _x,max = 3 ₀, _y,max = 3 ₀/8.

В конструкциях, воспринимающих статическую нагрузку, явление концентрации напряжений при обычных типах конструкций и узлов не является опасным и не учитывается расчетом. Но необходимо проектировать конструкции так, чтобы силовой поток переходил с одного потока на другой достаточно плавно. При действии же переменных нагрузок явление концентрации напряжений учитывается в расчете, так как наличие концентраторов сильно снижает вибрационную прочность конструкции.

СНиП II-23-81* разделяет все конструкции и узлы по степени концентрации на 8 групп. Примеры:

							Кромка прокатная или обрезанная механическим путем (гладкая кромка) – 1-я группа. Кромка обрезана газовой резкой – 2-я группа. При r = 200 мм – 1-я группа r = 10 мм – 4-я группа 8-я группа
				r

Рис. 14. Примеры разделения конструкций на группы по степени концентрации