3.3 Металлы

Необходимость делать строительные конструкции из металлов возникла потому, что металлы надёжны при больших нагрузках, способны выдерживать эти нагрузки даже при значительных деформациях, поэтому их применяют в зданиях с большими пролётами, большой высоты. Конструктивные элементы из металла имеют небольшое сечение, что позволяет облегчить конструкцию и легко монтировать её с помощью сварки, к тому же отличаются металлические конструкции экономичностью, если используются тонкостенные гнутые и трубчатые профили. Из таких конструкций сооружают каркасы промышленных зданий, большепролётные покрытия, мосты, эстакады, башни, мачты, рамы и другие.

В строительстве используют чёрные металлы (85%) и цветные. К чёрным металлам относят сталь и чугун. Получают их из расплавов железной руды с коксом в доменных печах при температуре 1900ºС. Образуется сплав железа (на 93%) с углеродом (около 5%) с небольшим количеством примесей других химических элементов. Называется такой сплав белым чугуном, который имеет большую прочность, но очень хрупок. С помощью плавления в мартеновских или электропечах при температуре 1539ºС уменьшают содержание углерода в чугуне, удаляют примеси и получают сталь с содержанием углерода от 0,02 до 2,14%. Чем меньше углерода в составе, тем пластичнее сталь.

Стальной расплав разливают в формы, получая слитки, из которых методом проката, прессования, волочения, ковки или штамповки получают изделия нужного профиля.

Металлургические заводы выпускают для изготовления конструкций заготовки, которые получили название сортамент. В его перечень входит несколько групп разных профилей с указанием массы, размеров и допусков.

Сортамент можно разбить на 5 групп:

1 – листовая (тонкая и толстая) сталь;

2 – профильная сталь (тавры, швеллеры, уголки);

3 – трубы (горячекатаные, сварные);

4 – специальные холоднотянутые профили (для покрытий);

5 – периодический прокат, профили специального назначения.

Каждый профиль выпускают нескольких типоразмеров, регламентированных стандартами.

Рис. 1 – Основные профили проката:

а – простой профиль; б – фасонный профиль; в – специальный прокат – схема получения вагонного дискового колеса; г – периодический профиль – изготовление шатунов двигателя;

д – периодический профиль – арматурная сталь

Плотность стали – 7,8 г/см³, прочность – до 600-1500 Мпа (высокопрочная), модуль упругости – 200 · 10³ МПа.

Металлы после остывания имеют кристаллическое строение с плотной упаковкой мелких кристаллитов – зёрен, ориентированных в разных направлениях, что придаёт металлам изотропные свойства; прочность при сжатии, растяжении и изгибе одинаковы. При изменении температуры (например, сварке) происходят изменения в структуре, возникают напряжения, дефекты и даже трещины. Чтобы этого избежать, сталь модифицируют, т. е. вводят при плавлении химические элементы (Gr, Ni, W, V, Si, B, Ti и др.), улучшающие её свойства – легируют. На заводах металлоконструкций, где изготавливают стальные изделия, их подвергают температурному отжигу, отпуску, закалке. Этими приёмами улучшают структуру, делают её более однородной, устойчивой к температурному воздействию, коррозионностойкой.

Стальные конструкции изготавливают из стального проката, соединяемого сваркой, заклёпками и болтами. Так как сталь имеет высокие прочностные показатели, в конструкциях она воспринимает растягивающие и изгибающие напряжения.

Механические свойства стали зависят от структуры и содержания углерода в сплаве. Основными показателями свойств стали являются: прочность при растяжении, при ударе и твёрдость. Надёжность конструкции определяют трещиностойкость и выносливость. При отрицательной температуре все механические показатели стали, даже модифицированной, снижаются.

Стали, в зависимости от условий эксплуатации, разделены на 4 группы.

В первую группу входят сварные конструкции, работающие в особо тяжёлых условиях под воздействием вибрации и нагрузок (подкрановые балки, мосты, эстакады). В этом случае надо применять особо высокопрочные, низко- и сложнолегированные и низкоуглеродистые стали.

Во вторую группу входят конструкции, эксплуатируемые в тяжёлых условиях, но без ударных и вибрационных нагрузок (фермы, ригели, рамы, балки перекрытий). Здесь применяются высокопрочные, низкоуглеродистые и низколегированные стали.

В третью группу входят сварные конструкции, работающие на сжатие (колонны, стойки, опоры). Для них используют низкоуглеродистые, низколегированные стали повышенной прочности.

В четвёртую группу входят вспомогательные конструкции и элементы (лестницы, ограждения). Можно для их изготовления использовать обычные и даже кипящие низкоуглеродистые стали.

Строительные стали должны быть не только прочными, но и хорошо обрабатываться, свариваться. Этими качествами обладают низколегированные, низкоуглеродистые стали.

Арматуру для железобетона изготавливают из качественной низкоуглеродистой стали, упрочнённой закалкой с прокатного нагрева, холодной или тёплой деформации.

По своим свойствам строительные стали объединены в группы А, Б, В. Группа А означает гарантию механических свойств стали, группа Б – гарантирует химический состав сплава, группа В – гарантирует как механические свойства, так и химический состав. Сталь группы В обычно используется для изготовления проволочной и монтажной арматуры. Рабочую арматуру (забетонированную внутри конструкции) выполняют из стали группы А.

По содержанию углерода в сплаве сталь разделяют тоже на три группы: низкоуглеродистая (содержание углерода 0,25%), среднеуглеродистая – конструкционная (содержание углерода от 0,3 до 0,6%), высокоуглеродистая сталь – от 0,7 до 1,3%.

Высокоуглеродистые стали менее пластичны, плохо свариваются, более хрупки, их называют инструментальными. Содержание углерода обозначается в записи марки стали целыми числами, хотя его там десятые доли процента: Ст1, Ст2, Ст3, и так до содержания углерода 0,6% – Ст6. Группа стали ставится впереди: АСт3, АСт5, или БСт4, БСт2, или ВСт2, ВСт3, затем пишется марка и категория раскисления – спокойная (сп), полуспокойная (пс), кипящая (к). По возрастанию прочности приняты обозначения римскими цифрами: обычная сталь А-I (240 МПа), А-II (300 МПа), А-III (400 МПа), Вр-I (600 МПа); высокопрочная сталь, используемая для напрягаемой арматуры А-IV (600 МПа), A-V (800 МПа), A-VI (1000 МПа), В-II (1200-1500 МПа).

Арматура для железобетона выпускается в виде стержней диаметром от 6 до 40 мм, проволоки диаметром от 3 до 8 мм и канаты – К-7, К-19. Арматура бывает гладкая и периодического профиля (р) для лучшего контакта с бетоном (Вр-II).

Повышают надёжность арматуры при работе в агрессивной среде специальной защитой. Природа металла такова, что кристаллиты имеют разные потенциалы, электроны покидают атом железа (от воздействия влаги, кислорода воздуха, газов), и начинается электрохимический процесс коррозии металла до полного его разрушения. Этот процесс не идёт в плотном слое бетона, так как в щелочной среде (её создаёт цемент) на металле образуется оксидная плёнка – фладе-потенциал, переводящая его в пассивное состояние. В открытом виде, при контакте с атмосферой в сложнолегированной стали также образуется аморфная плёнка из гидроокиси железа - картены, не допускающая коррозии. Если изделие будет работать в агрессивной среде, металлические изделия защищают покрытиями из оксидных (цинкование, алитирование, хромирование и др.) и органических плёнок (лаки, масла). В агрессивной среде предусматривают средне- и высоколегированные стали, не вступающие в электрохимический процесс коррозии, а также предусматривают электрохимическую защиту металла.

Более стойким к коррозии является чугун. Наибольшее применение имеет серый, ковкий и высокопрочный чугуны. Серый получают из белого, снижая количество углерода до 2,4-3,8%. У ковкого чугуна углерода ещё меньше (менее 2,4%), поэтому он пластичнее.

Серый чугун используют в конструкциях со сжимающей нагрузкой (колонны, фундаменты, трубопроводная арматура, канализационные трубы, краны, крышки люков, задвижки и др.). Чугун, так же как и сталь, модифицируют, легируют, после чего структура его становится более однородной. Так получают высокопрочный и ковкий чугуны. Их применяют в конструкциях с динамической нагрузкой (полы в цехах, фундамент под кузнечно-прессовое оборудование, подферменные опоры, транспортные тоннели и др.). Выплавляют и нержавеющий чугун с высоким содержанием Gr, предназначенный для работы в агрессивной среде.

Цветные металлы. Чистые металлы не используют в строительной практике, применяют сплавы, так как они имеют большую прочность, твёрдость, износостойкость. Их используют там, где требуется коррозионная стойкость, электро- и теплопроводность, декоративные качества. Наибольшее распространение находит технический алюминий.

Чистый Аl получают электролизом, осаждая из расплава. Это мягкий металл с температурой плавления 658ºС, с плотностью 2,7 г/см³, прочностью 80-100 МПа, модуль упругости – в 3 раза меньше, чем у стали.

Технические сплавы имеют большую прочность и твёрдость, чем чистый металл. В строительстве применяют конструкционные алюминиевые сплавы: литейные и деформируемые. Литейные – силумины, это сплав алюминия с кремнием и другими элементами, прочность его при растяжении доходит до 200 МПа. Сплавы алюминия с магнием или с магнием и цинком называют дуралюминами (АД). Прочность их возрастает до 200-500 МПа. Дуралюмины более стойки к отрицательной температуре, не дают искры, что очень важно в пожароопасных цехах. Алюминиевые сплавы легируют и подвергают термической обработке. Дуралюмины – сплавы деформируемые, они легко поддаются прокату, штамповке, прессованию, свариваются; из них получают трубы и профили сложной формы. Отличаются высокой стойкостью к кислотам; из них изготавливают резервуары для агрессивных жидкостей. Стойки к отрицательной температуре. Используют в несущих конструкциях в большепролётных покрытиях, в пространственных стержневых конструкциях, висячих элементах, для наружной облицовки зданий, для сварных ёмкостей, дверных и оконных переплётов, подвесных потолков. Жёсткость плоскостям придают гофрированием.

Алюминиевые сплавы легко вступают в реакцию со щелочами, поэтому не стойки к щелочной среде и их температуростойкость невелика – 150-200°С, при более высокой температуре деформации возрастают, несущая способность снижается.

Латуни – пластичные сплавы меди и цинка с хорошей прочностью, выдерживают отрицательную температуру без дефектов. Используются в санитарно-техническом оборудовании, для декоративных элементов.

Бронзы бывают оловянистыми, свинцовыми, бериллиевыми, кремниевыми – в зависимости от компонента, который содержится в сплаве. Обладают хорошими литейными свойствами, термостойки, коррозионностойки, поэтому из них делают сточные трубы, крепёжные детали, арматуру для дверей и окон. Бериллиевые бронзы имеют прочность 1100-1200 МПа.

Титановые сплавы прочны и пластичны, хорошо обрабатываются, свариваются. Легированные такими химическими элементами как: Al, Mo, V, Gr становятся коррозионностойкими и термостойкими. Прочность составляет 700-1200 МПа. Используют для монументальных сооружений, для термостойких деталей специального назначения.