Основы металлических конструкций СП 16.13330.2011

СТАЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ Актуализированная редакция СНиП II-23-81*

Основной областью применения стальных конструкций, т. е. областью, в которой достигается наибольший эффект от их применения, являются каркасы одноэтажных промышленных зданий металлургических и машиностроительных заводов, требующих применения мостовых кранов грузоподъемностью более 20 т, многоэтажных производственных зданий с расчетными нагрузками на междуэтажное перекрытие более 10 кПа и высотные гражданские здания с количеством этажей бо­лее 20.

Новой областью применения сталь­ных конструкций для стационарных промышленных зданий является строительство зданий и сооружений комп­лектной поставки, получившей в нашей стране название — легкие здания.

Кроме того, традиционными обла­стями применения стальных конструк­ций являются сборно-разборные здания и сооружения и здания и сооружения, строящиеся в труднодоступных райо­нах, а также в районах, подвержен­ных сейсмическим воздействиям. В по­следних использование стальных кон­струкций объясняется главным образом их малой собственной массой.

Специальной областью применения металлических конструкций является широкое использование их в сооруже­ниях специального назначения — бун­керах, резервуарах, газгольдерах, про­мышленных этажерках, башнях и мач­тах, железнодорожных и автодорожных мостах и т. п.

Высокая эффективность применения металлических конструкций достигает­ся также при использовании их в ка­честве несущих конструкций покрытий большепролетных зданий и сооружений с пролетами более 40 м гражданского (спортивные сооружения, выставочные павильоны, крытые рынки и т. п.) и промышленного (ангары, доки, эллин­ги и т. п.) назначения.

Общими достоинствами стальных и алюминиевых конструкций являются их высокая прочность и способность воспринимать большие усилия при от­носительной легкости. Так, стальные конструкции легче деревянных в 1,5...2 раза, железобетонных — в 8...12. (Алю­миниевые конструкции легче стальных в 2...2,5 раза. )

Важнейшим достоинст­вом металлических конструкций по сравнению с конструкциями из других материалов является надежность в экс­плуатации, обеспечиваемая стабильно­стью упругих характеристик материала и их высокой однородностью, харак­теризуемой величиной К=0,9...0,95.

Высокая плотность металла обеспе­чивает водогазонепроницаемость, ко­торая в соединениях достигается с по­мощью сварки.

Металлические конструкции отли­чаются высокой степенью индустриальности изготовления и монтажа. Важ­ными факторами индустриальности из­готовления являются специализация за­водов изготовителей, оснащенных автоматизированным и механизированным оборудованием, и использование готового металлургического проката в виде профилей различной формы и широкой номенклатуры, а также внедрение в практику строительства поточных мето­дов монтажа крупноблочных конструк­ций.

К основным недостаткам стальных конструкций относят подверженность их коррозии, требующей защиты лако­красочными покрытиями, а в агрессив­ной среде цинкованием или алюминированием, что приводит к удорожанию конструкций. Повышение коррозийной стойкости стали достигается также включением в ее состав различных ле­гирующих элементов, что также приво­дит к ее удорожанию. К недостаткам стальных и алюминиевых конструкций относят их малую огнестойкость. Сталь при 500 ° С теряет несущую способ­ность, а при 600 °С переходит в пласти­ческое состояние. У алюминиевых спла­вов переход в пластическое состояние происходит при температуре 300 °С.

Под оптимизацией конструктивной формы понимается такое решение кон­струкции, ее геометрических парамет­ров, марок стали и расчета, при которых, отвечая заданным архитектурно-конструктивным требованиям сооруже­ния, конструкция обладает минималь­ной массой.

Важнейшими задачами оптимиза­ции конструктивной формы являются: применение сталей высокой и повышен­ной прочности с пределом текучести 300...400 МПа, а также высокопроч­ных и сверхвысокопрочных сталей с пределом текучести до 1200...2000 МПа; совершенствование сортамента прокат­ных и гнутых профилей; дальнейшее внедрение легких металлических кон­струкций из тонкостенных широкопо­лочных двутавров, гнутосварных про­филей прямоугольного сечения и тонко­стенных круглых труб; совершенство­вание методов электросварки, приме­няемой в 95 % металлических конст­рукций; расширение области примене­ния соединений на высокопрочных бол­тах; внедрение новых типов, соединений на клею; дальнейшее совершенствова­ние методов расчета конструкций, ос­нованных на широком использовании ЭВМ; типизация металлических конст­рукций с развитием на ее основе уни­фикации и стандартизации отдельных элементов и конструкций в целом.

СТРОИТЕЛЬНЫР СТАЛИ И АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ КАК КОНСТРУКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ, ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ,

ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА, СОРТАМЕНТ

Основными материалами, приме­няемыми для изготовления металли­ческих строительных конструкций, яв­ляются стали обыкновенного качества и алюминиевые сплавы.

Сталь представляет собой сплав железа с углеродом, процентное содер­жание которого уменьшено до величи­ны, не превышающей 1,2.%. В строи­тельстве используются малоуглеро­дистые стали с процентным содержа­нием углерода 0,09...0,22 %.

Чугун, в свою очередь, является первичным продуктом, получаемым по­средством доменного производства из железных руд, содержание которых в земной коре составляет около 5%.

К наиболее употребительным мало­углеродистым сталям обыкновенного качества относятся стали марок ВСтЗсп5, ВСтЗпсб, ВСтЗпсб и ВСтЗкп2. В обозначении марок стали буква В обозначает группу поставки; СтЗ — собственно марка малоуглеродистой стали; сп, пс, кп — степень раскисле­ния, соответственно — спокойная, по­луспокойная, кипящая; последняя циф­ра 2, 5, 6 — категория поставки.

В строительных конструкциях пре­имущественное применение находит по­луспокойная сталь промежуточная по качеству между кипящей и спокойной, обладающая высокими технико-эконо­мическими показателями и более низ­кой себестоимостью, чем спокойная сталь. Однако стали повышенной и высокой прочности получают спокойным раскислением, что обеспечивает более высокую однородность и способность сопротивляться хрупкому разрушению, особенно при отрицательных темпера­турах.

К наиболее употребительным низ­колегированным сталям относятся мар­ганцовистые 09Г2 и 14Г2, кремнемарганцовистые 10Г2С1 и 09Г2С, хромо-кремненикелевые с медью 15ХСНД, 10ХСНД, низколегированные с ванади­ем и медью 15Г2СФ и 15ХГ2СФД, низ­колегированные с нитридным упрочне­нием 14Г2АФ и 16Г2АФ, а также тер­мически упрочненные легированные стали 12Г2СМФ и 15ХГ2СМФР.

В отличие от малоуглеродистых ста­лей в обозначение низколегированных введено буквенное обозначение леги­рующих элементов (Г — марганец, С — кремний, X — хром, Н — никель, Д -медь, Ф — ванадий, Т — титан, М -молибден, Р — бор) и цифровое обо­значение, указывающее на содержание элемента в процентах. Так, низколе­гированная сталь марки 15Г2СФ рас­шифровывается следующим образом: содержание углерода — 0,15 %, мар­ганца — 2 %, кремния и ванадия в пре­делах— 0,3...1,0 % (буква без цифры обозначает содержание элемента в пре­делах 0,3...1,0%).

Использование низколегированных сталей целесообразно в ответственных конструкциях с большими внешними нагрузками, а также в конструкциях, эксплуатируемых в условиях низких температур.

К основным показателям механи­ческих свойств стали и алюминиевых сплавов относятся прочность, упру­гость, пластичность и склонность к хрупкому разрушению. Прочность ста­ли определяется ее сопротивляемостью силовым воздействиям; упругость есть способность восстанавливать первона­чальное состояние после снятия сило­вых воздействий; пластичность — свой­ство стали получать остаточные дефор­мации после снятия силовых воздей­ствий; хрупкость — свойство стали разрушаться при малых деформациях в пределах упругой работы.

Механические свойства стали опре­деляются путем испытания на растя­жение специальных образцов с построе­нием диаграммы растяжения

Диаграммы растяжения сталей и алюминиевых сплавов:/— малоуглеродистая сталь; 2— низколегированнаясталь; 3—чистое железо; 4—алюминиевый – сплав марки АМц; 5—то же,

-

0,1-0.2 -2.5 5 10 16 18 21 ε,%

Из диаграмм растяжения видно, что с увеличением прочности стали наблюдается уменьшение площадки текучести, а для высокопрочных ста­лей и канатов и вовсе ее отсутствие. При этом увеличивается склонность стали к хрупкому разрушению, а следо­вательно, снижается надежность стро­ительных конструкций.

Учитывая, что металлические кон­струкции эксплуатируются как в упру­гой, так и в упругопластической ста­дии работы материала, при их расчете используют две величины расчетного сопротивления: по пределу текучести R_у = R_уп /γ_т; по пределу прочности R_и = R_ип /γ_т,

где R_уп — предел текучести стали, МПа; R_ип — предел прочности стали, МПа;

γ_т — коэффициент, надежности по ма­териалу, изменяющийся в пределах 1,025...1,15.

Расчетные характеристики R_у и R_и зависят не только от механических свойств, но и от вида и толщины про­ката.

Значения расчетных сопротивлений наиболее употребимых в строительстве малоуглеродистых и низколегирован­ных сталей приведены в приложении.

Таблица В.5 - Нормативные и расчетные сопротивления при растяжении, сжатии и изгибе листового, широкополосного универсального и фасонного проката

Сталь по ГОСТ 27772	Толщина проката*, мм	Нормативное сопротивление проката, Н/мм2			Расчетное сопротивление проката, Н/мм2
		Rm	Run	Ry		Ru
С235	От 2  до  8	235	360	230/225		350/345
С245	»  2  »  20	245	370	240/235		360/350
	Св.  20  »  30	235	370	230/225		360/350
С255	От  2  »  20	245	370	240/235		360/350
	Св. 20 » 40	235	370	230/225		360/350
С285	От 2 » 10	275	390	270/260		380/370
	Св. 10 » 20	265	380	260/250		370/360
С345	От 2 » 20	325	470	320/310		460/450
	Св. 20 » 40	305	460	300/290		450/440
	» 40 » 80	285	450	280/270		440/430
	» 80 » 100	265	430	260/250		420/410
С345К	От 4 » 10	345	470	335/330		460/450
С375	» 2 » 20	355	490	345/340		480/465
	Св. 20 » 40	335	480	325/320		470/455
С390	От 4 » 50	390	540	380/370		525/515
С440	» 4 » 30	440	590	430/420		575/560
	Св. 30 » 50	410	570	400/390		555/540
С590	От 10 » 40	590	685	575/560		670/650
С590К

^* За толщину фасонного проката следует принимать толщину полки.

Приложение г (справочное). Материалы для соединений стальных конструкций

Т а б л и ц а Г.10 — Физические характеристики материалов для стальных конструкций

Характеристики	Значение
Плотность , кг/м3: проката и стальных отливок отливок из чугуна Коэффициент линейного расширения , °С-1 Модуль упругости Е, Н/мм2 прокатной стали, стальных отливок отливок из чугуна марок: СЧ15 СЧ20, СЧ25, СЧ30 пучков и прядей параллельных проволок канатов стальных: спиральных и закрытых несущих двойной свивки двойной свивки с неметаллическим сердечником Модуль сдвига прокатной стали и стальных отливок G, Н/мм2 Коэффициент поперечной деформации (Пуассона) ν	7850 7200 0,12.10-4 2,06.105 0,83.105 0,98.105 1,96.105 1,67.105 1,47.105 1,27.105 0,79.105 0,3
Примечание — Значения модуля упругости даны для канатов, предварительно вытянутых усилием, равным не менее 60 % разрывного усилия для каната в целом.

Сортаментом называют перечень прокатываемых, холодногнутых или прессованных полуфабрикатов и изделий с указанием их основных геометрических размеров, формы сечения, величин допусков и линейной массы.

В общей стоимости профиля стоимость материала составляет 80...90 %, поэтому экономичность профиля зависит в первую очередь от его металлоемкости. Экономическая эффективность сортамента определяется двумя критериями: формой профиля, градацией и числом профилей в сортаменте.

На основе многочисленных исследований были выявлены оптимальные формы основных поперечных сечений стальных и алюминиевых профилей: уголки равнополочные и неравнополочные, швеллеры, двутавры, круглые и прямоугольные трубы, листы. Наибольшее применение в строительных конструкциях получил сортамент прокатной стали.

Равнополочные (ГОСТ 8509—86) размером от 45X4 до 250X30 мм и неравнополочные (ГОСТ 8510—86) размером от 56X36X4 до 250Х160Х Х20 мм уголковые профили широко применяются в элементах, работаю­щих на осевые силы (растяжение или сжатие), а также для получения ком­бинированных сечений и соединений различных элементов.

Швеллеры (ГОСТ 8240—72) высотой от 50 до 400 мм применяются чаще

в составных сечениях, работающих преимущественно на осевые силы и изгиб и реже — на внецентренное сжатие в колоннах и балках.

В качестве прогонов покрытия и элементов фахверков стен применяют тонкостенные швеллеры с узкими па­раллельными полками (ТУ 14-2-204— 76). По расходу материала они на 16...20 % легче швеллеров обычного проката.

Двутавровые с уклоном внутренних граней полок (ГОСТ 8239—72) от 100 до 600 мм применяются главным образом в качестве изгибаемых элементов — балок, а также в составных сечениях колонн, работающих на внецентренное сжатие.

В последнее время широкое распространение получили двутавры с параллельными гранями полок (широкополочные двутавры) от № 20Ш до № 100Ш с высотой до 1000 мм и шири­ной полок до 400 мм по ТУ 14-2-24—72.

Областью их рационального приме­нения являются колонны, подкрановые балки, балки покрытий и перекрытий, пролетные балки мостов.

Большой экономической эффективностью по сравнению с обычными дву­таврами (на 14...19 %) обладают тонкостенные двутавры с узкими парал­лельными полками (ГОСТ 19281—73) высотой от 120 до 300 мм. Областью их рационального применения являются конструкции легких перекрытий.

Широкое применение в стропильных и подстропильных фермах в качестве поясов верхнего и нижнего пояса находят широкополочные тавры, выпуска­емые по ТУ 14-2-24—72. Широкий диапазон их высот (от 100 до 500 мм при ширине полок от 100 до 400 мм) обес­печивает возможность применения этих профилей в фермах и других решет­чатых конструкциях.

Широкое применение в элементах решетчатых конструкций, работающих на продольные усилия растяжения и сжатия, находят бесшовные горячеде-формированные круглые трубы (ГОСТ 8732—78) сечением от 057x3,5

до 0 550X75 мм, электросварные круг­лые трубы (ГОСТ 10704—76) сечением 0 8X1 до 0 1620X16 мм и электро­сварные прямоугольные трубы (ГОСТ 12336—66) высотой от 75 до 220 мм с толщиной стенки от 4 до 8 мм.

Применение трубчатых профилей по сравнению с уголковыми в аналогич­ной конструкции позволяет снизить металлоемкость на 20...25 %.

Наряду с прокатными профилями в стальных конструкциях успешно приме­няются холодногнутые профили, одним из достоинств которых яв­ляется возможность получения заданной формы сечения в зависимости от условий применения. Гнутые тонкостен­ные профили получают из широкопо­лосной стали.

Прокатывается листовая сталь тол­щиной от 4 до 160 мм, шириной листа 1250...2600 мм и длиной до 8 м (ГОСТ 19903—74); листовая холодно­катаная толщиной от 0,6 до 1 мм, ши­риной листа 2000 мм и длиной до 5 м (ГОСТ 19904—74), применяемая для изготовления профилированных насти­лов; универсальная широкополосная сталь толщиной 6...60 мм, шириной 200... 1050 мм и длиной до 18 м (ГОСТ 82—70), широко применяемая для сварных балок и колонн.

Для предварительно напряженных и висячих конструкций применяют стальные канаты, изготавливаемые из высокопрочной проволоки диаметром 0,22...4 мм. с временным сопротивле­нием разрыву 1200...2600 МПа.