книги из ГПНТБ / Брудка Я. Легкие стальные конструкции

толщины g 1 в зависимости от способа защиты от коррозии, мм; g2 — основная толщина для поверхности, которая не может корродировать, мм.

Для суммы первого члена формулы (2-2) принимается: i= 2 , если две поверхности стенки могут корродировать;

г=1, если одна поверхность стенки может корродировать;

г= 0, если ни одна поверхность стенки не может корродировать. Для суммы второго числа принимается:

1 = 0, если две поверхности стенки могут корродировать.

Поверхностью, которая не может корродировать, считается поверх­ ность, находящаяся внутри герметически закрытого элемента без обме­ на воздуха или хорошо покрытая защитным слоем, не содержащим ком­ понентов, агрессивно воздействующих на сталь. Этот слой не должен быть поврежден во время монтажа, установки оборудования или во вре­ мя других операций по эксплуатации объекта.

Основную толщину следует принимать:

£ i = l мм внутри зданий без появления конденсации на поверхности; £ i= 1,25 мм внутри зданий при появлении незначительной конденса­

ции на поверхности; £, = 1,5 мм снаружи зданий или внутри них при появлении значи­

тельной конденсации на поверхности.

Увеличение основной толщины ввиду умеренного воздействия хими­ ческих факторов принимается равным:

д'£, = 0,2 мм для промышленной зоны; д '^ ^ О Д мм для приморской зоны;

д'£, = 0,6 мм по соседству с химическим предприятием или оборудо­ ванием, выделяющим агрессивный дым или пыль.

Уменьшение основной толщины в зависимости от способа защиты по­ верхности от коррозии надо принимать равным:

Д"£,=0,1 мм при очистке с помощью щеток и наложении одного слоя краски;

Д"£, = 0,2 мм при очистке с помощью щеток и наложении путем ок­ раски одного грунтующего слоя и одного слоя поверх него;-

Д "£,=0,3 мм при очистке с помощью щеток и наложении путем ок­ раски одного грунтующего слоя и двух слоев поверх него;

Д"£, = 0,4 м м при устранении окалины и наложении путем окраски одного грунтующего слоя и двух слоев поверх него, гальванизации толщиной покрытия более 30 мкм, металлизации толщиной покрытия

20

более 40 мкм или путем двукратной окраски с большим содержанием цинка при общей толщине покрытия более 80 мкм;

A"gi = 0,5 мм при устранении окалины и трехкратной окраске крас­ ками с большим содержанием цинка при общей толщине покрытия более 120 мкм или путем наложения других покрытий со столь же эф­ фективным защитным действием.

Основная толщина должна быть:

g2 = 0 мм, если поверхность защищена от коррозии по меньшей мере

способом, предусмотренным при A"gi = 0,4 мм;

g2—0,1 мм, если поверхность защищена другим способом.

Если минимальную толщину стенки устанавливают для элементов с большой поверхностью (плит перекрытий, элементов ограждающих стен или перегородок, кровельных перекрытий), то, хотя такой элемент и рассматривают как несущий и обеспечивающий' общую устойчивость, вызванная коррозией местная потеря материала в его стенке не оказы­ вает большого влияния на общую надежность конструкции. В этом слу­ чае можно брать меньшую толщину, принимая в формуле (2-2) коэффи­ циент Со=0,5. Для других элементов с0= 1 .

Коэффициент С] принимается равным: сх= 1, если поверхность до­ ступна консервации; с\ = 2, если поверхность недоступна консервации.

Пример. Рассчитать минимальную толщину стенки плиты кровельного перекрытия, защищенной от коррозии путем оцинковки, уложенной над промышленным цехом с нормальной влажностью. Снизу плиты помещен слой теплоизоляции.

Для наружной поверхности

§ ! = 1 , 5 мм; A' g! = 0,2 мм; A" = —0,5 мм; с0 = 0 ,5 ; сх = I.

Для внутренней поверхности

gx = 1 мм; A’ gx = 0,2 мм; A” gx = —0,5 мм; с0 = 0,5; сх = 2.

Минимальная толщина стенки равна:

gum = 0 , 5 - 1 (1,5 + 0 , 2 — 0,5) + 0,5-2 (1 + 0 , 2 — 0,5) = 1,3 мм.

■■*

Для достижения высокой несущей способности элементов и их соеди­ нений при определении размеров сечений необходимо учитывать следую­ щие рекомендации:

1. Для сжатых стержней целесообразно применять коробчатые сече­ ния с ужесточенными полками или прямоугольные замкнутые профили. Ужесточение в форме отгиба дает лучшую развертку сечения, увеличива­ ет жесткость профиля и, кроме того, уменьшает опасность потери мест­ ной устойчивости.

2. Для растянутых стержней лучше применять профили с менее раз­ витым сечением, т. е. с более толстыми стенками, чем стенки сжатых стержней. Увеличение толщины надо ограничить только для того, чтобы можно было правильно выполнить стык со сжатым стержнем, не соеди­ няя листы металла при очень большой разнице в толщине.

3. При подборе профилей:

избегать выполнения швов непосредственно между тонкими стенка­ ми профилей и толстыми стенками других элементов конструкции;

21

не превышать соотношение толщин соединяемых листов металла бо­

лее 3; избегать чрезмерного ослабления сечения стержня в пределах соеди­

нений или резкого изменения формы; не допускать перегрузок стенок в пределах стыка в случае воздейст­

вия больших сил, вызывающих возникновение концентрации напряже­ ний (например, в опорных узлах).

4. В случае необходимости увеличения размеров сечения проектиро­ вать условно замкнутые профили, сложенные из нескольких открытых профилей, соединенных планками или решетками, или замкнуто откры­ тые профили, что позволит достигнуть большей жесткости при кручении.

Для того чтобы элементы конструкций отличались хорошей техноло­ гичностью, небходимо уже при проектировании профилей учитывать ре­ комендации, позволяющие изготовлять эти профили на заводе:

а) стержни конструкции, как правило, следует выполнять из одного профиля, что обычно соответствует более рациональному распределе­ нию материала в сечении. Благодаря этому можно избежать примене­ ния соединительных планок, решеток или длинных швов, необходимых

сечения, стержень надо проектировать из двух профилей; б) профили с тонкими стенками подбирают такие, чтобы при необ­

ходимости соединения их друг с другом можно было избежать сварки при выполнении работ вне предприятия, изготовляющего стальные кон­ струкции;

в) следует учитывать возможность выполнения стыков простейшим способом при данном станочном парке предприятия, которое должно изготовлять конструкции.

2.2.3. Прочностные характеристики профилей

При изготовлении профилей с помощью холодной формовки исполь­ зуют одно из важнейших свойств металлов и их сплавов — с п о с о б ­ но с т ь к п л а с т и ч е с к о й д е ф о р м а ц и и . Холодную пластическую обработку производят обычно при температуре, почти не отличающейся от средней температуры окружающей среды. Она может быть несколько выше, но для тонкого листового металла всегда остается значительно ниже температуры рекристаллизации.

Пластическая деформация остается в элементе также и после сня­ тия с него нагрузки. Эта деформация не вызывает нарушения связности материала, например возникновения разрывов, трещин или расслоения. При простейшем случае линейного растяжения образца зависимости между напряжениями и деформациями можно представить с помощью графика (рис. 2-5), который иллюстрирует три фазы развития упругих и пластических деформаций. С точки зрения холодной гибки профиля интересны фазы пластичности и упрочнения.

22

При холодной гибке пластическая деформация сопровождается из­ менениями в структуре материала, возникающими в период упрочнения. Эти изменения принято называть наклепом материала.

Рис. 2-5. Влияние напряжений на ве­ личину деформаций при растяжении

являются новым пределом текучести, а участок нарастания пластической деформации сдвигается за точку Р2.

Холодная гибка профилей осуществляется на всех трех фазах роста деформаций. В момент окончания профилирования волокно исходного материала приобретает деформацию, соответствующую напряжению выше начального предела текучести. Вследствие этого происходит повы­ шение предела текучести и предела прочности материала, а также сни­ жение его пластичности и относительного удлинения (рис. 2-6).

Изменения механических свойств стали зависят от степени получен­ ного наклепа, выраженного в процентах. Эти изменения могут быть

23

больше, если процесс деформации осуществляется многократно, а не один раз, как показано на рисунке. Изменения различны для разных марок стали и в значительной степени зависят от оборудования, на кото­ ром производят деформации. При профилировании на роликогибочных машинах, а особенно на волочильных станах, деформации появляются по всему профилю, хотя и не всегда равномерно. При изготовлении про­ филей на прессах или кромкозагибочных станах изменения носят мест­ ный.характер и появляются прежде всего ближе к углам изделия. На рис. 2-7 показано распределение прочно­ сти волокон углового профиля и швелле­ ра, изготовленных на гибочном прессе (пунктирная линия) и на роликогибочной машине (непрерывная линия).

В табл. 2-6 приведены результаты ис­ следований, полученные во время конт-

г

текучести составляет 84%, а предела прочности— 35%, при этом умень­ шается относительное удлинение металла. Результаты исследований хо­ рошо иллюстрирует рис. 2-8, на котором приведены графики деформа­ ций и напряжений при растяжении образцов из стали до и после холод­ ного деформирования.

Из краткого обзора приведенных результатов исследований видно, что изменения прочностных свойств стали зависят от положения волокна в готовом профиле, величины и формы профиля, радиуса гибки угла, количества фаз гибки во время профилирования и от числа роликов в гибочной машине. Чем короче прямые участки профиля, тем больше степень изменения механических свойств.

Улучшение механических свойств стали после холодной гибки про­ филей, особенно при изготовлении их на роликогибочных машинах или волочильных станах, можно использовать для увеличения расчетной не­ сущей способности элемента. Этот вопрос в польских нормах не рассмат­ ривается.

24

25

Американские нормы [148] допускают расчетное повышение предела текучести стали в гнутых профилях при условии, что действительно про­ исходит его увеличение в готовых изделиях при наличии сжимающих или растягивающих напряжений. Расчетное повышение может быть ис­ пользовано только в следующих случаях:

а) если профиль имеет такие размеры, при которых под действием нормальных напряжений не может произойти местное выпучивание его

стенок; б) при определении механических свойств профиля путем испытания

образцов, взятых из партии с таким сечением, какое применяется в кон­ струкции.

Механические характеристики образцов определяют следующим об­ разом:

для установления предела текучести при растяжении пользуются действующими нормами (в Польше PN-62/H-04310);

для определения предела текучести при сжатии берут короткие об­ разцы. Значение предела текучести должно соответствовать значению предела прочности на сжатие образца, вырезанного из профиля, или значению напряжения, соответствующего остаточной деформации, рав­ ной 0,5%. В качестве нормативного принимается меньшее значение, в качестве повышенного предела — низший из полученных при испыта­ ниях на растяжение и сжатие;

при контроле и приемке профилей, выпускаемых «партиями» общей массой 30—50 т, проводят по два испытания. Если партия изготовлен­ ных профилей составляет менее 30 т, проводится по одному испытанию. Под «партией» понимается масса профилей одинакового сечения, изго­ товленных из исходного материала одной плавки и проката в ходе одно­ го производственного процесса;

по желанию изготовителя профилей испытания могут быть ограниче­ ны растяжением или сжатием, но при условии, что изготовитель дока­ жет правильность выбранного им испытания для таких напряжений, ко­ торые имеют место при эксплуатации конструкции.

При определении касательных напряжений и местной устойчивости не следует брать повышенный предел текучести. Нельзя также прини­ мать за основу повышенный предел текучести при расчете всех соедине­ ний. Условием принятия повышенного предела текучести при расчете соединений, выполненных контактной сваркой или сваркой плавлением, является проведение испытаний образца, изготовленного с помощью такого же метода сварки. Образец должен иметь шов, соответствующий натурным размерам. Каждое уменьшение прочности шва при сварке должно учитываться в проектируемой конструкции.

Новые французские нормы [167] ставят менее жесткие условия при расчетном повышении предела текучести, чем американские.

Можно применять сталь всех марок, используемых в строительных конструкциях. Желательно, чтобы удлинение при разрыве, измеренное на стандартных образцах, взятых из плоских стено_к готового профиля,

было не меньше20% при длине измерения %=5,6 5 ]/ F (где/*1— площадь сечения образца). Такое требование продиктовано стремлением сохра­

26

нить необходимую пластичность материала. При изготовлении профилей из листового металла толщиной более 3 мм сталь, подвергаемая холод­ ной обработке, не должна обладать склонностью к чрезмерному старе­ нию.

Французские нормы [167] допускают расчет конструкций из гнутых профилей в зависимости от предела текучести, определенного для мате­ риала исходной ленты, плоских стенок готового профиля или вообще для материала готового профиля.

Чтобы определить пластичность материала исходной ленты из пред­ назначенного для использования листового металла, берут произвольно минимум 12 стандартных образцов на растяжение. Для каждого образ­ ца устанавливают предел текучести при остаточном удлинении 0,2%. В качестве основы для расчетов принимают среднюю величину, умень­ шенную на две величины стандартного отклонения, полученную из ре­ зультатов испытаний на растяжение.

Пластичность материала исходной ленты определяют по следующим формулам:

(2-3)

п

Re— расчетный предел текучести; п — число испытаний на растяжение (минимум 12).

Такой способ определения предела текучести материала исходной ленты позволяет использовать в расчетах повышение механических характеристик тонкого листов<зго металла на 15% для стали St3S по сравнению с толстым или профильным металлом, что соответствует нор­ мам PN/B-03202.

Описанные испытания и расчеты можно не проводить в случае, если минимальный предел текучести гарантируется изготовителем или уста­ навливается соответствующими строительными нормами либо предпи­ саниями.

С целью определения предела текучести материала плоских стенок готового профиля из них берут 12 стандартных образцов на растяжение. Образцы вырезают из нескольких поперечных сечений профиля, распо­ ложенных на равных расстояниях по всей его длине. При этом надо стремиться к тому, чтобы можно было вырезать образцы равномерно из всех стенок данного сечения профиля. Для определения предела теку­ чести при остаточном удлинении 0,2% для каждого образца пользуются формулами (2-3) — (2-5). Кроме того, во время испытаний одновремен­ но проверяют, составляет ли удлинение при растяжении минимум 20%.

27

Такой способ определения предела текучести целесообразен в случае профилирования, обеспечивающего достаточно равномерное повышение предела текучести материала стенок по всему периметру сечения. Если это не обеспечивается, то лучше в статических расчетах пользоваться пределом текучести материала исходной ленты. Если же повышение проявляется только в определенных зонах, то значение квадрата сред­ него отклонения может увеличиться настолько, что предел текучести материала плоских стенок профиля станет ниже предела текучести ма­ териала исходной ленты.

С целью определения приведенного предела текучести готового про­ филя проводят испытания на растяжение минимум на 12 отрезках про­ филя, составляя график удлинений в зависимости от силы, приложенной

которой расстояние в свету между креплениями машины для испытаний материалов на прочность было минимум в восемь раз больше ширины профиля, а измерительная база равнялась четырем величинам той же ширины. Нет необходимости доводить испытания до разрыва образца. Вычисляют лишь нагрузку, соответствующую напряжениям, на 7,5% большим предела упругости (правильнее — предела пропорциональ­ ности). Условный предел текучести, характерный для каждого испыта­ ния, определяют делением этой силы на площадь поперечного сечения профиля. В качестве основы для статических расчетов принимается значение, полученное по формулам (2-3) — (2-5).

Для определения приведенного предела текучести готового профиля при изгибе проводят испытания на 12 отрезках профиля и составляют график изгибов в центре пролета в зависимости от изгибающего момен­ та. Чтобы избежать влияния приложенных к образцу сил, рекоменду­ ется пользоваться схемой нагрузки, показанной на рис. 2-9. По этой схеме вычисляют изгибающий момент, больший на 7,5% величины того момента, при действии которого изгибы были еще пропорциональны на­ грузкам. Условный предел текучести для каждого образца определяют делением момента на меньший показатель жесткости профиля. В каче­ стве основы для статических расчетов принимают величину, определяе­ мую по формулам (2-3) — (2-5). Может получиться и так, что в резуль­ тате этих испытаний будет получен предел текучести ниже установлен­ ного для материала исходной ленты. Это значит, что несущая способ­ ность профиля определяется потерей местной устойчивости стенок профиля.

Предел текучести исходной заготовки принимается для всех расче­ тов, независимо от характера изготовления и типа профиля при условии, что он соответствует той марке стали, для которой проводится испы­ тание.

28

Предел текучести плоских стенок готового профиля может быть ис­ пользован для одинаковых профилей, для которых проводилась провер­ ка прочности на разрыв, сжатие или изгиб; прочности на срез или на кручение; общей или местной устойчивости, несущей способности сое­ динений.

Под определением «одинаковый профиль» понимают профиль с та­ ким же сечением, из такой же стали и так же изготовленной, как и тот, что использован для испытания на прочность.

Приведенным пределом текучести готового профиля можно пользо­ ваться в расчетах только для профилей, для которых проводились сле­ дующие испытания:

проверка прочности на разрыв или изгиб с условием, что проектиру­ емый элемент подвергается нагрузке в том же направлении, что и испы­ туемый, но при этом нагрузка не вызывает потери устойчивости;

проверка несущей способности соединений при условии, что удлине­ ние плоских стенок профиля составляет не более 20%, а стык не прояв­ ляет склонности к появлению трещин.

Изложенные условия по использованию учета влияния наклепа ка­ жутся довольно сложными, но дают значительный экономический эффект.

2.3. ДРУГИЕ ИЗДЕЛИЯ ИЗ СТАЛИ

Стержни круглого и квадратного сечений, применяемые в легких конструкциях, можно изготовлять из стали разных марок, предназна­ ченных для строительства. Стержни круглого сечения преимущественно делают из о б ы ч н о й у г л е р о д и с т о й с т а л и (StOS) и предназна­ чаются для армирования элементов железобетонных конструкций. Та­ кая сталь наиболее доступна для широкого использования. Стержни из этой стали рекомендуется применять для второстепенных конструктив­ ных элементов. Для элементов, подвергаемых большей нагрузке, ис­ пользуют с т а л ь St3. Учитывая технологию сварки, желательно при­ менявшиеся до сих пор стержни круглого сечения заменять квадратными. Однако это не всегда возможно ввиду небольшого выбора таких стержней.

Из других стальных изделий (например, двутавров, швеллеров, уг­ ловых профилей и тавров) для легких конструкций используют п р о ф и ­ ли с ма л ыми р а з м е р а м и п о п е р е ч н о г о с е че ния . Такие профили недостаточно рациональны по распределению материала в по­ перечном сечении, если их употребляют в мало нагруженных стержнях. Чтобы получить увеличенный показатель жесткости для двутавров или швеллеров, их разрезают и увеличивают высоту путем приваривания вставок, достигая этим снижения расхода материала при одновременном увеличении затрат труда и сложности производственных процессов на заводах.

Проектировщик стремится получить в прокатных профилях сложные сечения с возможно более тонкими или перфорированными стенками. Количество сварки по отношению к массе значительно увеличивается по сравнению с обычными стальными конструкциями. С точки зрения веде­

29