книги из ГПНТБ / Брудка Я. Легкие стальные конструкции

ния сварочных работ желательны сечения с двумя осями симметрии, по­ скольку тогда возникают минимальные усадочные деформации.

Снижение затрат труда и средств достигается при автоматизирован­ ном крупносерийном производстве.

2.4. СИНТЕТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

2.4.1. Общие замечания

Рациональные решения в легких стальных конструкциях требуют применения соответственно легких материалов для перекрытий и ограж­ дающих стен. Новые перспективы открывают в этой области синтетиче­ ские материалы.

Синтетические изделия являются очень ценным материалом, позво­ ляющим конструировать легкие покрытия и в то же время хорошо за­ щищающим стальные элементы от коррозии.

Характерные черты синтетических материалов:

небольшая масса конструкций по сравнению с традиционными стро­ ительными материалами;

легкость создания элементов сложных форм без обязательного при­ менения тяжелого оборудования;

устойчивость к химическим воздействиям. Изделия из полиэфирных смол устойчивы к воздействию воды, слабых кислот и большинства ор­ ганических растворителей, но мало устойчивы к воздействию щелочей. Эпоксидные смолы более щелочеустойчивы. Изделия из твердого поли­ винилхлорида стойки к крепким кислотам и основаниям, но мало устой­ чивы к воздействию растворителей;

эстетические достоинства, достигаемые благодаря легкости окраски и очистки синтетических материалов;

светопроницаемость материалов (существенное значение имеет в эле­ ментах перекрытия), зависящая от типа смолы и заполнителей, а так­ же от толщины, слоистого пластика, его цвета и времени эксплуатации.

Вышеупомянутые достоинства синтетических материалов обуслови­ ли быстрое развитие их производства.

Синтетические изделия наряду с перечисленными положительными качествами имеют и некоторые недостатки, к которым относятся:

небольшая величина модуля упругости Е (разная при растяжении и сжатии);

старение, до сих пор еще недостаточно хорошо исследованное; малая устойчивость к воздействиям температуры; сравнительно большая ползучесть; снижение прочности при длительных нагрузках.

Решая вопрос о применении синтетических материалов для конст­ руктивных целей, следует учитывать их низкий модуль упругости и низ­ кую плотность. Желая использовать низкую плотность этих материа­ лов при низком модуле упругости, надо придавать конструкциям соот­ ветствующую форму, обеспечивая им необходимую жесткость. Можно

30

также упрочнять конструкцию из пластических масс материалом с боль­ шим модулем упругости, например сталью. По-видимому, наиболее рациональных решений нужно ожидать от совместного использования искусственных материалов и металлов [3].

2.4.2. Применение синтетических материалов в конструкциях

Синтетические материалы широко применяют в конструкциях типа «сэндвич» ( мн о г о с ло й н ые ) . Каждый элемент этого типа состоит из трех слоев — двух наружных с большой прочностью, выдерживающих нагрузки, и центрального (заполнения), выполняющего роль тепло- и звукоизоляции. Многослойные элементы подробно рассмотрены в рабо­ те [4], поэтому в данном разделе они не описаны.

Во многих случаях проблема тепло- и звукоизоляции не имеет боль­ шого значения— существенную роль играет светопроницаемость мате­ риала, поэтому целесообразно использовать о д н о с л о й н ы е оболоч - к и. Они имеют много положительных качеств, отличаются высокой проч­ ностью, позволяют легко создавать поверхности различной формы, устой­

ледние годы появился на западноевропейских рынках. Наиболее извест­ ными материалами такого типа являются «платал» и «раполит». Синте­ тический материал хорошо защищает сталь от коррозии, поэтому им можно заменять, например, дорогостоящий алюминий.

Большинство синтетических материалов имеет плохую сцепляемость с металлами, поэтому между материалом и сталью должен быть склеи­ вающий слой. Для того чтобы материалы хорошо прилегали друг к дру­ гу, сталь должна вместе с синтетическим материалом проходить холод­ ную прокатку на специальных прокатных станах и иметь соответст­ венно отделанную (подготовленную) поверхность. Из стальных лент, покрытых синтетическим материалом, изготовляют конструктивные эле­ менты, из которых затем монтируются жилые дома, промышленные це­ хи и т. п.

2.5. ЗАЩИТА КОНСТРУКЦИЙ

2.5.1. Защита от коррозии

Защита от коррозии легких стальных конструкций, выполненных из колодногнутых профилей, чрезвычайно важна. Недостаточно защищен­ ные тонкостенные конструкции могут разрушиться в короткий срок.

Скорость коррозии в зависимости от атмосферных условий приведе­ на в табл. 2-7.

31

Различают следующие виды коррозии: химическую и электрохими­

сэлектролитом. Нормальный потенциал металла является мерой его химической активности. Устойчивость металла к воздействию корроди­ рующих факторов зависит от разности их потенциалов. Чем дальше уда­ лены друг от друга в этом ряду два металла и больше между ними раз­ ность потенциалов, тем более сильный электрический ток возникает, если опустить их в электролит, и тем сильнее подвергается коррозии металл

снизшим потенциалом. Разность потенциалов для некоторых металлов приведена в табл. 2-8.

Точное описание явления коррозии можно найти в работе [11]. Электролитом служит атмосферная влага, содержащая СОг, но чаще

всего другие химические соединения. На металле конденсируется вода, в которой содержится некоторое количество солей. Небольшой слой рас­ твора электролита создает условия, способствующие электрохимической коррозии.

Микроэлементы возникают вследствие различных причин:

а) соединения двух разных металлов.

Если повреждается оболочка из олова, покрывающая листовую сталь, которая вследствие этого может войти в соприкосновение с элек­

2-9), становится анодом и подвергается коррозии. Коррозия будет проте-

32

Если повреждается цинковая оболочка, покрывающая листовой ме­

В случае соединения стали с металлом, имеющим больший потенци­ ал, коррозии подвергнется сталь, а соединение стали с металлом, имею­ щим больший отрицательный электрический заряд, обеспечит защиту ее от коррозии, так как в этом случае корродирует более электроотрица­ тельный металл;

б) соприкосновения металла с неметаллическими примесями.

Примеси окислов, сульфатов и пр., растворенные в металле, характе­ ризуются иной, чем железо, упругостью растворения и становятся элек­ тродами по отношению друг к другу и к основному металлу. Скорость коррозии зависит от количества и рода неметаллических примесей и элек­ тродвижущей силы элемента, образованного металлом и неметалличе­ скими включениями;

в) частичной пассивации металла, частичного покрытия его окисла­ ми или негерметичной оболочкой из окисла.

Сталь, подвергнутая термической или механической обработке, име­ ет на своей поверхности небольшой окисленный слой. На необработан­ ном металле может также образоваться слой продуктов коррозии (на­ пример, окислов), который герметически плотно прилегает к поверхности металла и защищает его от дальнейшего действия корродирующего фак­ тора. Такое состояние металла называется па с с ивным. Но окислы металлов имеют больший потенциал, чем металлы, из которых они об­ разовались. Если такая оболочка повреждается, возникают элементы, в которых металл является анодом и подвергается коррозии;

г) соприкосновения металла с растворами с различной концентраци­ ей солей или кислорода, возникновения различных температур в разных местах поверхности металла (концентрационные элементы) — такого рода условия работы редко встречаются в строительных стальных кон­ струкциях;

д) неравномерного поступления кислорода.

Микроэлементы образуются особенно при соединениях разных эле­ ментов конструкций, например под клепкой, болтами, в щелях и в раз­ личных швах;

е) разной степени гладкости поверхности металла.

Сталь с шероховатой поверхностью имеет более низкий потенциал, чем сталь с полированной поверхностью, что объясняет появление мик­ роэлементов на неравномерно гладких поверхностях;

ж) напряженного состояния металла.

Деформированные места имеют более низкий потенциал. Между де­ формированным и недеформированным металлом возникает разность потенциалов, которая при наличии электролита приводит к коррозии.

Элементы этого рода небезопасны только в окружении сильно корроди­ рующих химических факторов.

К существенным факторам, оказывающим большое влияние на ход коррозионных повреждений, относятся также х и м и ч е с к и й с о с т а в с п л а в а и м е т а л л у р г и ч е с к и е м е т о д ы , применяемые для его получения.

Требование легкости конструкций обусловливает необходимость ис­ пользования возможно более тонкостенных элементов, работающих в ус­ ловиях высоких напряжений. Если металл и выдерживает эти напряже­ ния, то образующаяся на его поверхности защитная оболочка окислов, характеризующаяся иными механическими и физическими свойствами, чем металл, часто получает местные повреждения, которые могут само­ стоятельно «залечиваться» только при особенно благоприятных услови­ ях. При этом в месте повреждения защитного слоя происходит непосред­ ственное соприкосновение металла с его окружением, а разность элек­ трических потенциалов между открытой в этом месте поверхностью металла и остальной еще не поврежденной оболочкой окисла вызывает быстрое поступление электрических зарядов и стремительное развитие коррозии.

Та самая оболочка из окисла, которая в условиях полной герметич­ ности защищает металл от химической реакции с окружающей средой, при местном повреждении становится фактором, ускоряющим и, хуже того, сосредоточивающим действие в местах повреждения. В результа­ те, несмотря на то что преобладающая часть металлического элемента остается почти нетронутой коррозией, конструкция может быстро раз­ рушиться вследствие возникновения даже в некоторых местах глубоких коррозионных язв.

Естественная оболочка окисла защищает металл от корродирующего воздействия среды тем лучше, чем более близка ее кристаллическая структура к структуре металлического основания. Коррозионные очаги чаще всего возникают в тех местах на поверхности металла, где имеют­ ся дефекты структуры металла, например загрязнения, границы зерен или дислокации.

Роль, которую механические напряжения играют в явлениях корро­ зии металла, очень сложна и еще не полностью выяснена. По единодуш­ ному мнению многих исследователей, коррозионное растрескивание про­ исходит под действием растягивающих напряжений, которые вызывают расширение возможных трещин. Сжимающие напряжения противо­ действуют растрескиванию, вызывая закрытие трещин. Напряжения от кручения дополнительно увеличивают скорость коррозионного растрес­ кивания на несколько десятков процентов. Коррозионное растрескива­ ние продвигается в глубь материала в направлении, перпендикулярном направлению действия растягивающих напряжений, причем оно мо­ жет проходить вдоль границ зерен (чаще всего наблюдается в усло­ виях промышленной среды) либо внутри зерен или быть даже сме­ шанным.

Среди ряда теорий, объясняющих механизм развития коррозионно­ го растрескивания, выделяют две основные группы:

34

теории, предполагающие, что распространение коррозионного рас­ трескивания связано главным образом с процессом электрокоррозионного растворения металла;

теории, предполагающие влияние электрокоррозионных явлений на изменение механических свойств материала.

Принимается, что начальным этапом зарождения трещины чаще всего является образование коррозионной язвы на поверхности металла. Ус­ ловием, способствующим возникновению такой язвы, может быть меха­ ническое повреждение защитного или пассивного слоя. Характерна большая скорость электрокоррозионного растворения металла у верши­ ны коррозионной язвы; при этом возникшую трещину следует считать началом коррозионного растрескивания. Особенно интенсивное разви­ тие процесса электрокоррозионного растворения металла у вершины трещины по сравнению со скоростью растворения стенок этой же тре­ щины можно объяснить следующим образом.

В том месте, где заканчивается трещина, в результате концентрации растягивающих напряжений (действие резкого изменения сечения) про­ исходит пластическая деформация металла, что препятствует образо­ ванию пассивного слоя в этом месте на материале. Открытый активный металл подвергается интенсивному растворению (анодная зона), а стен­ ки образовавшейся трещины не подвергаются пластической деформации, постепенно пассивизируются, становясь катодной зоной. Интенсивная деформация металла у вершины трещины вызывает, кроме того, интен­ сивный расход корродирующего агента, приток нового, а также вымы­ вание катионов из решетки металла. Замечено, что плотность корроди­ рующего потока в этой зоне прямо пропорциональна скорости углубле­ ния трещины.

Другие теории предполагают, что электрокоррозионные процессы вы­ зывают в самом материале характерные изменения свойств, отражаю­ щиеся на углублении трещины. Рост хрупкости у вершины образующей­ ся в материале трещины связан с электрокоррозионным растворением одного из компонентов сплава (менее благородного), что приводит к воз­ никновению материала губчатого строения. Такое избирательное ра­ створение увеличивает количество дефектов строения кристаллической решетки: вначале на поверхности материала — на металле, позднее в результате диффузионных процессов — в глубине его. В зоне дефор­ мированной вершины трещины образуются поры — микротрещины, расположенные в зонах полос скольжения вдоль отдельных или груп­ повых дислокаций. Эти явления приводят к местному росту хрупкости материала и к его растрескиванию под воздействием растягивающих на­ пряжений. Межзернистый характер коррозионного растрескивания низ­ коуглеродистых сталей объясняется специфичностью кристаллического строения этих сталей, повышенным количеством дефектов строения гра­ ниц зерен и процессами выделения в дисперсионных фазах на границах, прежде всего выделением нитридов, окислов, третичного цементита. Рост содержания углерода в стали приводит к росту ее сопротивляемо­ сти, к коррозионному растрескиванию, в том числе в среде нитридов и гидроокисей. Уменьшение величины зерен стали повышает ее устойчи-

36

вость к растрескиванию, что, по-видимому, связано с увеличением пути растрескивания и повышением прочности. Низкоуглеродистые или низ­ колегированные стали, раскисленные алюминием, характеризуются большей устойчивостью к коррозионному растрескиванию, чем стали нераскисленные, полуспокойные или раскисленные кремнием. Присутствие алюминия в стали обусловливает легкую пассивацию стали на поверх­ ности; такой пассивный слой характеризуется значительной устойчи­ востью к механическим повреждениям. Низколегированные сварочные стали, применяемые в строительстве, благодаря свойству раскисления, присутствию легирующих присадок и мелкозернистости отличаются большей устойчивостью к коррозионному растрескиванию, чем углеро­ дистые стали.

Вольберг [227] получил интересные результаты, проведя исследова­ ния в области влияния атмосферной коррозии на характер разрушения конструкционных сталей. Исследования проводили на основе испытаний на ударную вязкость, статического изгиба образцов и внецентренного растяжения плоских образцов с резким изменением сечения. Для опре­ деления влияния напряжений часть образцов хранилась в коррозионной камере при напряжениях 0,8—0,9 кгс/см2 предела текучести.

Результаты испытаний приведены в табл. 2-9.

На основе полученных результатов можно сделать следующие вы­ воды:

1. Коррозия стали оказывает существенное влияние на характер раз­ рушения, увеличивая опасность появления растрескивания не только при динамических, но и при статических нагрузках. Кроме повышения критических температур хрупкости влияние коррозии приводит также к снижению пластических характеристик стали при всех температурах испытаний.

2.Действие коррозии сильней сказывается на стали тех марок, кото­ рые более чувствительны к концентрации напряжений.

3.Повышение критических температур хрупкости, выявленное на об­ разцах с различным изменением сечения, и разрушение образцов с оди­ наковым сечением доказывают, что и при равномерном характере атмо­ сферной коррозии возникают резкие изменения сечения.

4.При оценке склонности стали к растрескиванию необходимо учиты­ вать характер среды, в которой работает конструкция.

При рассмотрении влияния напряжений было отмечено, что, напри­ мер, отожженная сталь с содержанием углерода от 0,1 до 0,4% проявля­ ет максимум склонности к коррозионному растрескиванию тогда, когда на образец действуют осевые растягивающие напряжения, значение ко­ торых равно пределу текучести. При большем значении напряжений склонность к растрескиванию уменьшается, проходит через минимум и затем снова растет. Для стали других марок существуют несколько иные зависимости.

Количественная оценка этих явлений до сих пор еще полностью не дана.

Защита стальных конструкций от коррозии достигается следующими методами:

37

подбором соответствующих легирующих добавок в стали (например, никеля, хрома, меди), благодаря которым она приобретает свойство не ржаветь;

приданием профилю и конструкции соответствующей формы; изолированием поверхности металла от корродирующего агента.

В наших условиях нержавеющие стали для стальных конструкций применяются довольно редко из-за их высокой стоимости. Большие воз­ можности имеет проектировщик в области формирования конструкций, уменьшая таким образом опасность коррозии.

Изолирование поверхности металла от корродирующего агента мо­ жет быть достигнуто:

покрытием стали тонким слоем защитного металла, устойчивого к действию корродирующих агентов, путем погружения элементов конст­ рукции в расплавленный металл, гальванизации, цементации или метал­ лизации напылением;

изменением поверхностного слоя металла химическим способом, на­ пример образованием на поверхности металла слоя окисла путем окси­ дирования, фосфатирования и т. п.;

покрытием поверхности металла слоем жира или масла; покрытием металла защитной оболочкой из краски, лака или синте­

тического материала; покрытием металла битумными составами;

применением бетонного защитного слоя (15 мм). Рассмотрим важнейшие из этих проблем.

Выбор формы стальных конструкций. Можно сказать, что потери, вызванные коррозией, значительно больше потерь, обусловленных меха­ ническими факторами. Подбирая тип конструкции и проектируя отдель­ ные элементы, проектировщик руководствуется условиями прочности, жесткости и устойчивости, не принимая обычно во внимание проблемы, связанные с соответствующим подбором форм конструкций и ее элемен­ тов, сводящих к минимуму влияние коррозии.

Наибольшее влияние коррозии независимо от среды наблюдается в конструкциях покрытия (стропильных фермах, прогонах, связях), кото­ рые обычно состоят из элементов с тонкими стенками.

В значительно меньшей степени подвержены коррозии подкрановые балки и опоры, обычно состоящие из элементов с более толстыми стен­ ками. Большая стойкость против коррозии опор объясняется также их вертикальным положением, затрудняющим осаждение на конструкции пыли.

Основной задачей при проектировании стальных конструкций явля­ ется такой подбор профилей в конструкции, при котором она в возмож­ но меньшей степени будет подвержена воздействию коррозии. Поэтому важной задачей является изучение влияния формы элементов конструк­ ции на стойкость против коррозии*.

* К о ш и н И. И. Экспериментальное изучение влияния конструктивной формы эле­ ментов стальных конструкций на стойкость против атмосферной коррозии. Сборник трудов, № ю, Моек. инж.-строит, ин-т им. В. В. Куйбышева. М., Госстройиздат, 1956.

38

На рис. 2-10 приведены цифровые данные, показывающие влияние коррозии на различные типы стальных профилей с обозначением потерь массы контрольных образцов в граммах на разных отрезках элементов. На рисунке видно, как неравномерно распределяется коррозия в сече­ ниях различных профилей.

Сравнение этих результатов с помощью относительного коэффициен­ та скорости коррозии S0 приводится на рис. 2-11. Относительный коэф­ фициент скорости коррозии S 0 определяется по формуле

Результаты испытаний обтекания воздухом исследуемых профилей приведены на рис. 2-12 и 2-13. На рис. 2-12 дано время, необходимое для испарения слоя влаги,, покрывающей профиль; на рис. 2-13 приведены значения относительного коэффициента скорости испарения влаги С0, определяемого по формуле

39