Краткий исторический очерк в развитии металлических конструкций.

История развития металлических конструкций может быть разделена на пять этапов:

1. Начало 12 - начало 17 веков. Этот период характерен развитием строительства культовых сооружений, в которых использовались металлоконструкции в виде затяжек.

2. Весь 17-ый век. Кроме затяжек использовались опорные конструкции в виде стропил для купольных сооружений, которые применялись при строительстве церквей. В1696 - 1698 году был построен Троице - Сергиевский монастырь в Загорске, в начале 19 века - купол Казанского собора в Ленинграде.

3. Начало 18 - середина 19 веков. Этот период связан с освоением процесса литья чугунных стержней и деталей. В этот период строятся мосты, конструкции перекрытий гражданских и промышленных зданий. Первые (чугунные) мосты были построены в Ленинграде (1850 год - Николаевский мост).

4. С 30-х годов 19 века до 20-х годов 20 века. Этот период связан с быстрым техническим прогрессом во всех областях техники того времени, в частности в металлургии и металлообработке.

Выплавка железа из чугуна в мартеновских и конвекторных печах, получение профильного металла и прокатного листа, появление заклёпочных соединений (использовались в конструкциях перекрытий треугольными металлическими фермами) и применение рамочно-арочных конструкций.

В этот период первостепенное значение для развития металлостроительства имела инженерная, научная и организационная деятельность Шухова В.Г.

5. Послереволюционный период. Начало первой пятилетки – конец 20-х годов, когда молодое социалистическое государство приступило к осуществлению широкой программы индустриализации страны. Выросла производственная база металлических конструкций. Заводы и специализированные организации были объединены в одну систему - Главстальконструкция, выполняющую основной объём строительства в металлических конструкциях. Расширилась номенклатура металлических конструкций и разнообразие их конструктивных форм.

Конструктивная форма включает в себя листовые конструкции, стержневые конструкции и 2 теории:

1. Теория формообразования;

2. Теория сооружений.

К листовым конструкциям относятся сосуды (ёмкости которые работают под давлением), резервуары (любые ёмкости для хранения жидкости), кожухи (листовые конструкции для металлургической промышленности), трубопроводы большого диаметра (d более 600 мм.).

К стержневым конструкциям относятся каркасные здания, большепролётное покрытие (более 36;42 м.) (фермы, арки больших пролётов, структурные конструкции, оболочки), опорные конструкции (под антенны), краны (могут быть мостовые, козловые, гусеничные, стреловые), мосты, эстакады.

Номенклатура и область применения металлических конструкций

Металлические конструкции применяются во всех инженерных сооружениях значительных пролетов, высоты и нагрузок. В зависимости от конструктивной формы и назначения металлические конструкции можно разделить на восемь видов:

1. Промышленные здания – цельнометаллические или со смешанным каркасом (колонны железобетонные). Цельнометаллические в зданиях с большим пролетом, высотой и грузоподъемностью.

2. Большепролетные покрытия зданий – спортивные сооружения, рынки, выставочные павильоны, театры, ангары и др. (пролеты до 100-150 м).

3. Мосты, эстакады – мосты на железнодорожных и автомобильных магистралях.

4. Листовые конструкции – резервуары, газгольдеры, бункеры, трубопроводы большого диаметра и др.

5. Башни и мачты – радио и телевидения в геодезической службе, опоры линии электропередачи, нефтяные вышки и др.

6. Каркасы многоэтажных зданий. Применяются в многоэтажных зданиях, в условиях плотной застройки больших городов.

7. Крановые и другие подвижные конструкции – мостовые, башенные, козловые краны, конструкции экскаваторов и др.

8. Прочие конструкции по использованию атомной энергии в мирных целях, разнообразные конструкции радиотелескопов для космической и радиосвязи, платформы для разведки и добычи нефти и газа в море и др.

Металлические конструкции обладают следующими достоинствами:

1. Надежность. Материал (сталь, алюминиевые сплавы) обладает большой однородностью структуры.

2. Легкость. Металлические конструкции самые легкие.

3. Индустриальность. Изготовление и монтаж металлических конструкций производится специализированными организациями с использованием высокопроизводительной техники.

4. Непроницаемость. Обладают высокой прочностью и плотностью, непроницаемостью для газов и жидкостей.

Металлические конструкции имеют недостатки:

1. Коррозия. Незащищенность от влажной среды, атмосферы, загрязненной агрессивными газами, сталь коррозирует (окисляется) и разрушается. Поэтому в сталь включают специальные легирующие элементы, покрывают защитными пленками (лаки, краски и т.д.).

2. Небольшая огнестойкость. У стали при температуре 200˚С уменьшается модуль упругости, а при температуре 600˚С сталь полностью переходит в пластическое состояние. Алюминиевые сплавы переходят в пластическое состояние при 300˚С. Поэтому металлические конструкции защищают огнестойкими облицовками (бетон, керамика, специальные покрытия

и т.д.).

2.Материалы, применяемые в металлических строительных конструкциях.

Стали. Общая характеристика, химический состав. Влияние отдельных компонентов на свойства сталей.

Маркировка углеродистых и легированных сталей.

Для строительных металлических конструкций используются, в основном, стали и алюминиевые сплавы.

Наиболее важными для работы являются механические свойства: прочность, упругость, пластичность, склонность к упругому разрушению, ползучесть, твердость, а также свариваемость, коррозионная стойкость, склонность к старению и технологичность..

Прочность металла при статическом нагружении, а также его упругие и пластические свойства определяются испытанием стандартных образцов на растяжение с записью диаграммы зависимости между напряжением Ơ и относительным удлинением ε.

По прочностным свойствамстали условно делятся на три группы: обычной (Ơ_у= 290МПа), повышенной (Ơ_у= 290-400 МПа) и высокой прочности (Ơ_у> >400 МПа).

Повышение прочности стали, достигается легированием и термической обработкой.

По химическому составу стали, подразделяются на углеродистые и легированные.

Углеродистые стали состоят из железа и углерода с добавкой кремния (или алюминия) и марганца.

В новом СНиП II – 23 – 81 по показателям предела текучести (R_уп) и временному сопротивлению R_ип, толщине и виду проката установлены марки сталей в соответствии с ГОСТ и ТУ.

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

Основу стали составляет феррит и перлит. Феррит имеет малую прочность, высокую пластичность. В строительстве в чистом виде не применяют. Прочность повышают добавками углерода (малоуглеродистая сталь), легированием марганцем, ванадием, хромом, кремнием и др. легирующими элементами, а также термоупрочнением – стали высокой прочности.

В зависимости от вида поставки стали подразделяются на горячекатаные и термообработанные (закалка в воде и высокотемпературный отпуск).

По степени раскисления стали могут быть кипящими, полуспокойными и спокойными.

Спокойныестали используют при изготовлении ответственных конструкций, подвергающихся динамическим воздействиям.Полуспокойнаясталь – промежуточная между кипящей и спокойной.

Легированные сталипомимо железа и углерода имеют специальные добавки, улучшающие качество стали. Однако, добавки ухудшают свариваемость стали и удорожают ее, поэтому в строительстве используют низколегированные стали с содержанием добавки не более 5%.

• Основными легирующими добавками являются кремний (С), марганец (Г), медь (Д), хром (Х), никель (Н), ванадий (Ф), молибден (М), алюминий (Ю), азот (А).

Элементы влияющие на качество стали:

Кремний

В малоуглеродистые стали добавляют до 0,3%, а в низколегированные стали до 1%.Кремний, так же как и углерод, увеличивает прочность стали, но ухудшает её свариваемость. Кремнийраскисляет сталь, т.е. связывает избыточный кислород и повышает ее прочность, снижает пластичность, ухудшает свариваемость и коррозионную стойкость.

Алюминий

Входит в сталь в виде твёрдого раствора феррита, а так же в виде различных карбидов и нитридов. Хорошо раскисляет сталь, повышает ударную вязкость и нейтрализует вредное влияние фосфора.

Марганец

Снижает вредное влияние серы. В малоуглеродистых сталях содержится до 0,6%, а в легированных до 1,5%. При содержании более 1,5% сталь становится хрупкой.

Медь

Несколько повышает прочность стали и увеличивает её стойкость против коррозии. Избыточное содержание меди (более 0,7%) способствует старению стали.

Повышение механических свойств низколегированной стали осуществляется присадкой металлов, вступающих в соединение с углеродом и образующих карбиды, а так же способных растворяться в феррите и замещать атомы железа. Такими легирующими элементами является марганец, хром, вольфрам, ванадий, молибден, титан.

Хром и никельповышают прочность стали, без снижения пластичности и ее коррозионную стойкость

Ванадий и молибденувеличивают прочность почти без снижения пластичности, предотвращают разупрочнение термообработанной стали при сварке.

Прочность низколегированных сталей так же повышается с введением никеля,. меди, кремния и алюминия, которые входят в сталь в виде твёрдых растворов (феррита).

Вредные примеси:

Фосфор

Образует раствор с ферритом и повышает хрупкость стали, особенно при низких температурах (хладноломкость стали).

Сера

Делает сталь красноломкой вследствие образования легкоплавкого сернистого железа. При этом образуются трещины в стали при температурах 8001000С.

Таким образом содержание серы и фосфора в стали ограничено. Например в углеродистой стали серы должно быть не более 0,05%, фосфора до 0,04%.

Вредное влияние на механические свойства стали оказывает насыщение газами, которые могут попасть из атмосферы в металл находящийся в расплавленном состоянии (кислород, азот, водород). Газы повышают хрупкость стали. При сварке необходима защита от воздействия атмосферы. Изменение свойств стали, может произойти так же в результате термической обработки.

Углерод (У) повышая прочность стали, снижает ее пластичность и ухудшает свариваемость, поэтому применяются только низкоуглеродистые стали (У < 0,22%).

Азотв несвязном состоянии способствует старению стали, делает ее хрупкой, поэтому его должно быть не более 0,009%.

Маркировка стали:

Ст 3 сп – строительные стали (спокойные)

Ст 3 кп – (кипящие), более дешёвые стали, качество ниже чем у спокойных и применяются только во второстепенных конструкциях (не применяются для конструкций работающих на динамическую нагрузку, то есть подкрановые балки).

Пример маркировки легированных сталей

10 ХСНД

• 10 –0,1% углерода;Х  1% хрома;С  1% кремния;Н  1% никеля;Д  1% меди.

09 Г 2 С

• 09 – 0.09% углерода;Г 2  2% марганца;С  1% кремния.

3.Структура и термическая обработка металлов.

Структура малоуглеродистой стали, определяющая её механические свойства, зависит от температуры охлаждения. Температура плавления чистого железа 1535C. При охлаждении ниже 1535C в процессе кристаллизации образуется так называемое  - железо, имеющее кристаллическую решётку объёмно-центрированного куба (ОЦК-решётку)

При температуре 1400C железо находится в твёрдом состоянии и в процессе охлаждения происходит новое превращение и из  - железа образуется  - железо, обладающее гранецентрированной решёткой (ГЦК-решёткой).

При температуре 910С кристаллы с ГЦК - решёткой вновь превращаются в объёмно – центрированную, и это состояние сохраняется вплоть до комнатной и отрицательных температур. Последняя модификация железа называется  - железом. При введении углерода в сталь температура плавления снижается.

Температура плавления железоуглеродистых сплавов зависит от содержания углерода. При остывании в  - железе образуется твёрдый раствор, называемый аустенитом, в котором атомы углерода располагаются в центре ГЦК – решётки.

При температурах, лежащих ниже 910С из аустенита начинают выделяться кристаллы твёрдого раствора углерода в  - железе, называющиеся ферритом. По мере выделения феррита из аустенита, последний всё более обогащается углеродом и при температуре 723С превращается в перлит, то есть смесь, состоящую из перемежающихся пластинок феррита и карбида железа Fe₃C, называемого цементитом. Таким образом, структура охлаждённой до комнатной температуры стали, состоит из двух фаз: феррита и цементита, который образует самостоятельные зёрна и входит в феррит в виде пластинок. Величина зёрен оказывает значительное влияние на механические свойства стали. Чем меньше зёрна, тем выше качество стали.

Структура низколегированной стали аналогична малоуглеродистой стали. Введение добавок упрочняет ферритовую основу и прослойки между зёрнами. Углерода в стали должно быть не более 0,22 %.

Целью термической обработки является искусственное изменение структуры сплава для улучшения его прочности, деформационных и упругих свойств. Такое изменение возможно, так как под влиянием температуры изменяется структура, величина зерна и растворимость компонентов сплавов.

Простейшим видом термической обработки является нормализация, заключающаяся в повторном нагреве проката до температуры образования аустенита. При этом происходит измельчение крупных зёрен феррита и образуется несколько зёрен аустенита. Например: при остывании стали от температуры 880С в крупном зерне аустенита цементиты разбивают зерно на несколько зёрен феррита. Величина зерна зависит от условий кристаллизации. При нагревании, энергия накопленная во время пластической деформации освобождается и при температуре 400С проявляется в виде интенсивного роста зёрен. Это явление называется рекристаллизацией. Точно так же при нагревании может получить рост зерна и аустенит. Такое явление наблюдается при высоких температурах (>900С) и называется перегревом.

При остывании или при медленном охлаждении процесс происходит в обратном направлении и сталь получает уравновешенную феррито – перлитную структуру. Процесс медленного остывания после нагрева называется отжигом.

При отжиге восстанавливается не только нормальная структура, но и снимаются все внутренние напряжения, которые появляются при нагреве. Поэтому отжиг применяется весьма часто и является простейшим видом термообработки.

При быстром остывании материала, имеющего фазовое превращение, нагретого до температуры на 2040С выше линии 723910С происходит закалка. Для проведения закалки необходимо, чтобы скорость остывания была выше скорости превращения фаз. При быстром охлаждении углерода выделяется очень мало, и успевает произойти только первая часть фазового превращения, то есть замена пластин аустенита на решётку феррита. В результате получается структура феррита с включением в неё углерода, которая называется мартенситом. Такая структура очень прочная и упругая, но хрупкая и вредная для применения в металлоконструкциях.

Отпуск – нагрев до температуры, при которой происходит желательное структурное превращение, выдержка при этой температуре в течении необходимого времени, а затем медленное охлаждение.

При более высокой температуре отпуска, но меньшей температуре образования перлита (700С) и ещё более медленном остывании, выделившийся цементит начинает собираться в более крупные группы, а так же равномерно упрочняет феррит и даёт прочную и пластичную структуру называемую сорбитом.

Указанные структуры могут получиться и без отпуска в зависимости от интенсивности остывания. Интенсивность остывания подбирается по появлению мелкоперлитной фазы. В результате сталь получает весьма мелкозернистую структуру с равномерным распределением перлита, то есть получается материал аналогичный низколегированной стали, но значительно более дешёвый, с высокими механическими свойствами (_т=3036 кг/мм²; _в=4550 кг/мм²).

4.Алюминиевые сплавы, их химический состав, механические и физические характеристики.

Область применения в строительстве. Коррозия стальных и алюминиевых строительных конструкций. Методы защиты.