4 Металлические конструкции

4.1 Общие сведения, область применения

МК применяются во всех видах зданий и сооружений, особенно если необходимы значительные пролеты, высота и нагрузки.

В зависимости от конструктивной формы и назначения МК можно разделить на 8 видов:

- промышленное здания (каркасы зданий);

- большепролетные покрытия зданий (пролетом больше 30м до 150м), системы и конструктивные формы – балочные, рамные, арочные, висячие, комбинированные (пространственные и плоские);

- мосты и эстакады на железнодорожных и автомобильных магистралях;

- листовые конструкции (резервуары, газгольдеры, бункеры, трубы);

- башни, мачты радио и TV, опоры ЛЭП;

- каркасы многоэтажных зданий (гражданское строительство);

- крановые и другие подвижные конструкции;

- прочие конструкции (конструкции промышленности атомной энергетики, платформы для разведки и добычи газа и нефти в море, спортивные сооружения и др.).

Все эти разнообразные конструкции объединены двумя основными факторами, позволяющими изучать их как единый вид:

- исходным материалом для всех конструкций является прокатный металл, выпускаемый по единому стандарту: лист, уголок, швеллер, двутавр, труба и т.д. (рисунок 4.1);

Рисунок 4.1- Профильная и листовая сталь

а) прокатные профили; б) сварные; в) гнутые; г) листовая сталь

- все конструкции объединены одним технологическим процессом их изготовления, в основе которого лежат холодная обработка металла (резка, гибка, образование отверстий…) и соединение деталей в конструктивные элементы (сборочно-сварочные операции).

МК обладают следующими достоинствами:

- надежность- обеспечивается близким совпадением их действительной работы (распределение напряжений и деформаций) с расчетными предположениями, однородностью структуры;

- легкость - МК являются очень легкими конструкциями. Легкость конструкции определяется следующим выражением:

С = /R, (м^-1) (4.1)

где  - плотность;

R – расчетное сопротивление материала.

Для малоуглеродистой стали - С = 3.7·10^-4, м^-1;

для высокопрочной стали - С = 1.7·10^-4, м ^–1;

для дюралюмина - С = 1.1·10^-4, м ^–1;

- индустриальность –изготовление на заводах, монтаж механизированный

- непроницаемость- высокая плотность металла и его соединений необходимая для изготовления резервуаров, газгольдеров и т.д.

МК имеют следующие недостатки:

- коррозия – окисление от агрессивных газов. Алюминий более стоек к коррозии. Хорошо сопротивляется коррозии чугун;

- небольшая огнестойкость.

У стали - при t = 200^oC уменьшается модуль упругости Е, а при t = 600^oC сталь переходит в пластическое состояние. Алюминиевые сплавы становятся пластичными при t = 300^oC.

При проектировании МК должны учитываться следующие основные требования:

- условия эксплуатации – основные требования;

- экономия металла;

- транспортабельность;

- технологичность;

- скоростной монтаж;

- долговечность;

- эстетичность;

- типизация;

- внедрение поточного метода изготовления и монтажа МК.

4.2 Строительные стали

4.2.1 Общая характеристика

Сталь – это сплав железа с углеродом, содержащий легирующие добавки, улучшающие качество металла.

В твердом состоянии сталь является поликристаллическим телом, состоящим из множества различно ориентированных кристаллов (зерен), в каждом из которых атомы (+ заряженные ионы) расположены упорядоченно в узлах пространственной решетки, объемно-центрированная – 1 (ОЦК) и гранецентрированная кубическая – 2 (ГЦК) (рисунок 4.2).

Р исунок 4.2- Кубическая кристаллическая решетка

а – объёмно-центрированная; б – гранецентрированная

Каждое зерно анизотропно и имеет различные свойства по разным направлениям. При большом их количестве, по разному ориентированных эти различия сглаживаются и статистически в среднем по всем направлениям свойства стали становятся одинаковыми и она ведет себя как квазиизотропное тело.

Температура (t^o) плавления чистого железа 1535⁰С. При охлаждении в процессе кристаллизации образуются кристаллы чистого железа – феррита ( – железо с ОЦК-решеткой). При t^o =1400⁰С происходит перекристаллизация, и  – железо переходит в  – железо (с ГЦК). При t^o =910⁰С и ниже кристаллы -железа вновь превращаются в ОЦК, эта модификация называется  – железом.

При введении углерода (С) – 0,2% температура плавления снижается до 1520⁰С. При остывании образуется твердый раствор углерода в -железе, называемый аустенитом с ГЦК решеткой. При t^o = 910⁰С начинается распад аустенита. Обогащаясь углеродом, аустенит при 723⁰С превращается в перлит – смесь феррита и карбида Fe₃C, называемый цементитом. Таким образом, при нормальной температуре сталь состоит из двух основных фаз – феррита и цементита, которые образуют самостоятельные зерна и входят в состав перлита.

Величина зерен феррита и перлита зависит от числа очагов кристаллизации и условий охлаждения и существенно влияет на механические свойства стали – чем меньше зерно, тем выше качество металла.

Легирующие добавки, входя в твердый раствор с ферритом, упрочняют его.

По химическому составу стали бывают:

- углеродистые обыкновенного качества, механические свойства зависят в основном от содержания углерода. Состоят из Fe и углерода с некоторой добавкой кремния (или Al) и Mn.

- низколегированные, содержащие легирующие добавки, повышающие прочность, ударную вязкость, коррозионную стойкость.

Углерод (У) – повышает прочность, снижает пластичность и ухудшает свариваемость, поэтому применяют для МК низкоуглеродистые стали с "У" не > 0.22%.

Легирующие добавки:

Кремний (С)– 0.31.1% - применяется как хороший раскислитель, связывает избыточный О₂. Повышает прочность, но снижает пластичность, свариваемость и коррозионную стойкость.

Марганец (Г) – 0.641.5% - повышает прочность и вязкость стали, является хорошим раскислителем и, соединяясь с серой, снижает её вредное влияние. При содержании (Г) более 1.5% сталь становится хрупкой.

Медь (Д) – несколько повышает прочность и улучшает стойкость стали против коррозии. Если (Д) > 0.7% способствует старению стали и повышает её хрупкость.

Хром и никель (Х, Н) – не > 0.3% повышает прочность и улучшает коррозионную стойкость.

Алюминий (Ю) – хороший раскислитель, нейтрализует вредное влияние фосфора, повышает ударную вязкость.

Ванадий и молибден (Ф, М) – Ф = 0.070.15% и М = 0.150.25% - увеличивают прочность и предотвращают разупрочнение при сварке.

Азот (А) - в несвязанном состоянии способствует старению стали и делает её хрупкой, поэтому его должно быть не > 0.009%. В химически связанном состоянии с Ю, Ф, титаном (Т) и др. позволяет получить мелкозернистую структуру и улучшает механические свойства.

Вредные примеси:

Фосфор – не > 0.04%, повышает хрупкость стали, особенно при пониженных t^o (хладоломкость), и снижает пластичность при повышенных.

Сера - не > 0.05%, делает сталь красноломкой (склонной к образованию трещин) при t^o 800 – 1000^оС.

Кислород – действует подобно сере, но в более сильной степени и повышает хрупкость стали.

Водород - не > 0.0007%, снижает пластичность и временное сопротивление, повышает хрупкость.

4.2.2 Термическая обработка

Значительного повышения прочности, деформационных и других свойств стали помимо легирования достигают термической обработкой.

При термической обработке изменяется структура, величина зерна и растворимость легирующих добавок, что приводит к изменению свойств стали.

Нормализация – повторный нагрев проката до температуры образования аустенита – 723⁰С и охлаждения на воздухе. Улучшается прочность, пластичность, ударная вязкость и повышается однородность стали. Это простейший вид термической обработки.

Закалка – то же, но при быстром остывании. Повышается прочность и склонность к хрупкому разрушению, снижается пластичность.

Отпуск – нагрев до температуры желательного структурного превращения, затем выдержка при заданной температуре и медленное остывание. Это делается для регулирования механических свойств закаленной стали и образования желаемой структуры.

При прокатке, в результате обжатия, структура стали меняется – размельчаются зерна с различной ориентацией вдоль и поперек проката, что приводит к некоторой анизотропии. Значения имеют скорость и температура прокатки.

Таким образом, варьируя химический состав, режимы прокатки и термообработки, можно получить сталь с заданными прочностными и другими свойствами.

4.2.3 Классификация сталей

По прочности (механическим свойствам) стали делятся на 3 группы:

- обычной прочности (малоуглеродистые) (_у < 290 МПа);

- повышенной (_у = 295  400 МПа);

- высокой прочности (_у > 440 МПа).

По виду поставки стали подразделяются на горячекатаные и термообработанные.

Группы поставки по назначению

А – по механическим свойствам,

Б – по химическому составу,

В – по механическим свойствам и по химическому составу.

Поскольку для несущих строительных конструкций необходимо обеспечить прочность и свариваемость, а также надлежащее сопротивление хрупкому разрушению и динамическим воздействиям, сталь для этих конструкций заказывается по группе В, т.е. с гарантией механических свойств и химического состава (ВСт3кп2, ВСт3Гпс…)

По способу производства – мартеновская и кислородно-конверторная, для наиболее ответственных деталей – электросталь (электрошлаковая переплавка - ЭШП). Стали мартеновского и кислородно-конверторного производства по своему качеству и механическим свойствам практически одинаковы, но кислородно-конверторные стали проще и дешевле.

По степени раскисления:

- кипящая (кп), которую сразу разливают из ковша в изложницы. Она содержит значительное количество растворенных газов;

- полуспокойная (пс);

- спокойная (сп) выдерживается некоторое время в ковшах. Для поглощения из стали кислорода добавляют раскислители.

Последняя на 12% дороже первой. Применяется при изготовлении ответственных конструкций, подвергающихся статическим и динамическим воздействиям. Низколегированные стали в основном поставляются спокойной степени раскисления. Кипящие стали, имея достаточно хорошие показатели по пределу текучести и временному сопротивлению, хуже сопротивляются хрупкому разрушению и старению. Полуспокойная сталь по качеству является промежуточной между кипящей и спокойной.

По хладостойкости стали делятся на три группы:

1. без гарантий хладостойкости;

2. с гарантией для МК, эксплуатируемых при t^o < - 40^oC;

3. с гарантией для МК, эксплуатируемых при t^o > - 40^oC.

4.2.4 Нормирование сталей

Основным стандартом для МК является ГОСТ 27772-88, согласно которому изготавливают:

- фасонный прокат из сталей С235, С245, С255, С285, С345, С345К, С375.

- для листового и универсального проката и гнутых профилей используют так же стали С390, С390К, С440, С590, С590К.

Стали С345, С375, С390 и С440 могут поставляться с повышенным содержанием меди (повышенная коррозионная стойкость), при этом к обозначению стали добавляется буква "Д".

Здесь буква "С" - сталь строительная , цифра – предел текучести _у в МПа и "К" - вариант химического состава. При термическом улучшении свойств добавляется буква "Т" - С345Т.

В зависимости от t^o эксплуатации МК и степени опасности хрупкого разрушения стали С345 и С375 поставляются 4-х категорий, и обозначаются С345-1, С345-2 – нормируется ударная вязкость при t^o = -40^oC и t^o = -70^oC.

П рокат поставляется партиями одной плавки-ковки и режима термообработки.

1 – гистограмма; 2- кривая Гаусса

Рисунок 4.3- Распределение предела текучести стали Вст3пс

Так как значения _у имеют значительный разброс, что видно из гистограммы распределения, показывающие частоту того или иного значения _у, они аппроксимируются одной Гауссовой кривой (рисунок 4.3). Обеспеченность _у в ГОСТах принимается равной 0.95 (браковочные значения механических свойств металла).

Углеродистая сталь по ГОСТ 380-94 в зависимости от нормируемых показателей (химического состава, временного сопротивления, предела текучести, относительного удлинения, ударной вязкости и т.д.) разделена на 6 категорий, которые указывают после обозначения стали, например ВСт3сп5.

Кипящая сталь изготавливается по 2-й категории – ВСт3кп2, полуспокойная – по 6-й категории (ВСт3пс6), спокойная и полуспокойная с повышенным содержанием марганца – по 5-й категории (ВСт3сп5, ВСт3Гпс5).

Маркировка: вначале ставится буквенное обозначение группы поставки, затем марки, далее степень раскисления и в конце категория.

4.2.5 Выбор сталей для МК

Выбор сталей для МК производится на основе вариантного проектирования и ТЭО и зависит от следующих параметров: t^o среды эксплуатации, характера нагружения, вида напряженного состояния и уровня возникающих напряжений, способа соединения элементов, толщины проката.

В зависимости от степени ответственности конструкций зданий и сооружений, а также от условий их эксплуатации все виды конструкций разделены на 4 группы, а стали для них принимаются по СНиП II-23-81*, таблица 50* (приложение 1).

К первой группе относятся сварные конструкции, работающие в особо тяжелых условиях или подвергающиеся непосредственному воздействию динамических, вибрационных или подвижных нагрузок (подкрановые балки, балки рабочих площадок, элементы разгрузочных эстакад…). К свойствам сталей для этих конструкций предъявляются наиболее высокие требования. С255, С285, С345, С375, С390, С390К, С440 по ГОСТ 27772-88.

Ко второй группе относятся сварные конструкции, работающие на статическую нагрузку под воздействием растягивающих напряжений (фермы, ригели, балки покрытий и другие растянуто-изгибаемые элементы), а также конструкции первой группы при отсутствии сварных соединений. Общим для конструкций этой группы является повышенная опасность хрупкого разрушения. С245 – С590К, ВСт3кп толщиной до 4 мм, ВСт3пс толщиной 5,5-10 мм.

К третьей группе относятся сварные конструкции, работающие при преимущественном воздействии сжимающих напряжений (колонны, стойки, опоры и другие сжато-изгибаемые элементы), а также конструкции второй группы при отсутствии сварных соединений.

В четвертую группу включены вспомогательные конструкции и элементы (связи, элементы фахверка, лестницы, ограждения…), а также конструкции третьей группы при отсутствии сварных соединений.

Если для конструкций третьей и четвертой групп достаточно ограничиться требованиями к прочности при статических нагрузках, то для конструкций первой и второй групп важным является оценка сопротивления стали динамическим воздействиям и хрупкому разрушению.