1. Строительные стали и алюминиевые сплавы. Нормативные и расчетные сопротивления, коэффициенты надежности.

Конструкционные строительные стали по химическому составу относятся к низкоуглеродистым и низколегированным, а в равновесном состоянии — к доэвтектоидным. Кроме комплекса высоких механических свойств, определяемых при стандартных испытаниях, они должны иметь высокую конструктивную прочность, т.е. соответствовать свойствам конкретных изделий и конструкций. К свойствам стали, определяющим надежность конструкций, относятся коэффициенты интенсивности напряжений и деформации, ударная вязкость и температура порога хладноломкости и долговечности — сопротивление усталости, коррозии и износу. Кроме того, конструкционные стали должны легко обрабатываться давлением, резанием, хорошо свариваться, прокаливаться, иметь малую склонность к деформациям, короблению и трещинообразованию при закалке.

Углеродистые стали выпускают обыкновенного и повышенного качества, по степени раскисления — спокойные (сп), полуспокойные (пс) и кипящие (кп). Спокойные стали полностью раскислены и содержат минимальное количество FeO, кипящие не-раскислены. Полуспокойные занимают промежуточное положение. Кипящие стали склонны с старению, хладноломкости, хуже свариваются, но пластичны.

Углеродистые стали обыкновенного качества в зависимости от гарантируемых свойств объединены в группы А, Б и В. Стали обозначают марками Ст1, Ст2, СтЗ, Ст4, Ст5, Ст6, спереди добавляется буква группы стали, а после — индекс степени раскисления, (сп, пс и кп), например, АСтЗсп, ВСт4пс. По группе А стали поставляют с гарантированными механическими свойствами, по группе Б — химическими и по группе В — с теми и другими одновременно. С увеличением номера стали растет содержание углерода.

Сталь для строительных конструкций, учитывая указанные требования к ней, заказывается по группе ВСтЗсп (пс) и ВСтЗГпс. Она содержит обычно углерода 0,14 — 0,22%, марганца 0,4 — 0,65 %, кремния 0,05-0,17 % (сп) или 0,12-0,3 % (пс). Сталь марки ВСтЗГпс содержит марганца 0,8 — 1,1 % и кремния до 0,15 %.

В зависимости от температурных условий эксплуатации и назначения конструкций по требованиям ударной вязкости углеродистые стали разделены на шесть категорий. Кипящая сталь изготовляется по 2-й категории ВСтЗкп2, полуспокойная — по 6-й ВСтЗпсб, спокойная и полуспокойная с повышенным содержанием марганца — по 5-й категории ВСтЗсп5 и ВСтЗГпс5. Категория стали, как видно из приведенных данных, указывается конце режима и условий работы и эксплуатации. Все виды стальных строительных конструкций разделены на четыре группы. За нормативные сопротивления стали принимают значения предела текучести или временного сопротивления (для сталей и сплавов высокой прочности при отсутствии площадки текучести) с обеспеченностью соответственно 0,95 или 0,995.

К первой группе отнесены сварные конструкции, работающие в особо тяжелых условиях динамического нагружения (эстакады, подкрановые балки, и др.). Для этих конструкций применяют высокопрочные низколегированные стали 18Г2АФпс, 12ГН2 МФАЮ, а также ВСтЗГпс5, 09ГС12.

Ко второй группе отнесены сварные конструкции, работающие на статическую нагрузку, — фермы, ригели, рамы, балки перекрытий и покрытий и др. Для этих конструкций рекомендуются низкоуглеродистые и низколегированные стали повышенной и высокой прочности — ВСтЗсп5, 091Г2С, 10ХСНД и др.

К третьей группе отнесены сварные конструкции, работающие преимущественно на сжатие, — колонны, стойки, опоры под оборудование и др. Для них могут использоваться наряду с указанными для второй группы низкоуглеродистые стали ВСтЗкп2.

В четвертую группу включены вспомогательные конструкции и элементы (связи, фахверк, лестницы, ограждения и др.). Для них рекомендуются обычные низкоуглеродистые кипящие, полуспокойные и спокойные стали группы ВСтЗкп(пс, сп)2(5).

Алюминиевые сплавы представляют собой двойные, тройные и более сложные системы с различной растворимостью компонентов в твердом состоянии. Для упрощения маркировки в обозначении некоторых сплавов, кроме алюминия, с помощью букв отражается еще один элемент (основной компонент), а цифрами - его процентное содержание; АМц - алюминиево-марганцевый сплав. АМг - алюминиево-магниевый. АВ - алюминиево-кремниевый (авиаль). Д - дуралюмин. В - высокопрочный сплав.

В маркировке сплавов после цифр могут быть еще буквы, которые обозначают состояние поставки проката или листа, то есть вид механической или термической обработки металла.

Буквенные обозначения механической и термической обработки алюминиевых сплавов (состояние поставки): П - полунагартованные. Н - нагартованные. М - отожженные. Т - закаленные и естественно состаренные. TI - закаленные и искусственно состаренные.

Деформируемые сплавы разделяют на две группы: термически необрабатываемые и термически обрабатываемые.

 Термически неупрочняемые алюминиевые сплавы

а) А л ю м и н и е в о - м а р г а н ц е в ы й с п л а в АМц

Содержит 1-1,6%. марганца. Сплав имеет низкий предел прочности - 11-17 кг/мм². Сваривается. Как правило, используется для ограждающих конструкций.

б) А л ю м и н и е в о - м а г н и е в ы й сплав АМг-6Т.

По стойкости против коррозии алюминиево-магниевые сплавы занимают первое место после технически чистого алюминия. Хорошо свариваются. Применяются для листовых и для сварных стержневых конструкций.

Наибольшее распространение из алюминиево-магниевых сплавов получил в строительстве сплав АМг-6Т, который содержит около 6% магния и до 0,2% титана (что в марке сплава обозначено буквой Т). Предел прочности АМг-6Т -32 кг/мм² и относительное удлинение- 15%.-

Может быть рекомендован для изготовления ответственных сварных конструкций, так как при сварке теряет прочность незначительно.

Общими свойствами группы термически необрабатываемых сплавов являются: невысокая прочность и хорошая свариваемость. Для повышения прочности листов, изготовляемых из сплавов этой группы, применяется полунагартовка.

Термически обрабатываемые алюминиевые сплавы

а) Д у р а л ю м и н ы

Из всех алюминиевых сплавов наибольшее распространение получили дуралюмины благодаря их высокой прочности. Это термически упрочненные сплавы: Д1-Т, Д6-Т, Д-16-Т. Они характеризуются большим содержанием меди (4-5%). В меньших количествах в них входят магний и марганец. Техническими условиями проектирования конструкций из алюминиевых сплавов рекомендован к применению в строительстве высокопрочный сплав Д16-Т, как наиболее экономичный. Его предел прочности - до 49 кг/мм², относительное удлинение - 10%. Расчетные сопротивления Д16-Т превосходят характеристики стали 3 и близки к сталям повышенного качества (см. приложение I, табл. 1).

Одним из недостатков дуралюминов является меньшая по сравнению с другими сплавами стойкость против коррозии. Поэтому конструкции, выполненные из дуралюмина, следует окрашивать.

б) А л ю м и н и е в о-к р е м н и е в ы й  с п л а в АВ-Т1 (а в и а л ь)

В состав сплава входят кремний, магний, марганец и медь - всего от 2 до 3%. В отличие от других компонентов кремний не образует соединения с алюминием. Здесь возникает соединение кремния с магнием, которое имеет высокую прочность и малую пластичность. Это соединение рассматривается на диаграмме состояний сплава как основной компонент. Растворимость соединения в алюминии ограничена, поэтому возможно получение пересыщенного твердого раствора и, следовательно, возможна термическая обработка сплава.

Предел прочности АВ-Т1 - 33 кг/мм². В этом отношении этот сплав приближается к стали. Рекомендуется применять его для ответственных конструкций, эксплуатирующихся в агрессивных условиях.

в) В ы с о к о п р о ч н ы е с п л а в ы В65, В95, В96

В состав этих сплавов входят медь, цинк и другие легирующие элементы. По прочности данные сплавы выше низколегированных сталей. Но пока высокопрочные сплавы дороги и в строительстве могут быть использованы лишь для специальных целей. В качестве недостатка этих сплавов отмечается понижение прочности металла при нагревании их до 150^°. Сплав В65-Т применяется для изготовления заклепок.

Общими чертами всей группы термически обрабатываемых сплавов являются: высокая прочность, достигаемая в результате термического упрочнения, но в то же время нерациональность использования для них сварки в качестве соединения элементов, так как при сварке происходит отжиг околовшной зоны и, как правило, образование трещин, а следовательно, понижение прочности сварной конструкции.

Нормативные сопротивления, устанавливаемые нормами проектирования стальных конструкций, являются основными характеристиками сопротивления материалов силовым воздействиям.

В связи с тем, что механические свойства материалов зависят от исходных материалов, технологии производства и других факторов, нормативные сопротивления устанавливаются на основе статистической обработки механических свойств материалов, выпускаемых нашей промышленностью. Значения нормативных сопротивлений устанавливаются таким образом, чтобы математические значения случайных отклонений для материалов с пониженными значениями механических свойств составляли не более 5%.

Для углеродистой стали, стали повышенной прочности и алюминиевых сплавов за основную характеристику нормативного сопротивления принято значение предела текучести. Однако в тех случаях, когда переход материала в пластическое состояние выражен нечетко (площадка текучести отсутствует), или иногда предел текучести близок к временному сопротивлению, а также в случаях, когда по характеру работы конструкций допустимо развитие больших пластических деформаций и несущая способность определяется прочностью, за нормативное сопротивление принимается значение временного сопротивления. Таким образом, установлены два вида нормативных сопротивлений — по пределу текучести R^н=σ_т и временному сопротивлению — R^н=σ_в. Числовые значения σт и σв являются нормативными сопротивлениями

Расчетное сопротивление R определяется делением нормативного сопротивления Rн на коэффициент безопасности по материалам kм.

Расчетные сопротивления, как и нормативные, установлены двух видов — по пределу текучести и временному сопротивлению. Коэффициент безопасности по материалу при назначении расчетного сопротивления по пределу текучести установлен на основании анализа кривых распределения испытаний стали и ее работы в конструкции с таким расчетом, чтобы при всех учитываемых обстоятельствах исключить использование в конструкции стали с пониженными значениями предела текучести. При назначении расчетного сопротивления по пределу текучести для стали классов С 38/23 — С 60/45 k_м= 1,1—1,2.

Расчетные сопротивления срезу определены умножением значений расчетных сопротивлений растяжения на коэффициент перехода 0,6.

Расчетные сопротивления проката, гнутых профилей и труб для различных видов напряженных состояний следует определять по формулам, приведенным в табл. 1*.

 Таблица 1*

Напряженное состояние			Усл. об.		Расч. Сопр. проката и труб
Растяжение,	По пределу текучести	Ry		Ry = Ryn/gm
сжатие и изгиб	По временному сопротивлению	Ru		Ru = Run/gm
Сдвиг			Rs		Rs = 0,58Ryn/gm
Смятие торцевой поверхности (при наличии пригонки)			Rp		Rp = Run/gm
Смятие местное в цилиндрических шарнирах (цапфах) при плотном касании			Rlp		Rlp = 0,5Run/gm
Диаметральное сжатие катков (при свободном касании в конструкциях с ограниченной подвижностью)			Rcd		Rcd = 0,025Run/gm
Растяжение в направлении толщины проката (до 60 мм)			Rth		Rth = 0,5Run/gm
gm — коэффициент надежности по материалу,

Значения коэффициентов надежности по материалу проката, гнутых профилей и труб следует принимать по табл. 2*. Таблица 2*

Государственный стандарт или технические условия на прокат	Коэф. Над. по материалу gm
ГОСТ 27772–88 (кроме сталей С590, С590К); ТУ 14-1-3023–80 (для круга, квадрата, полосы)	1,025
ГОСТ 27772–88 (стали С590, С590К); ГОСТ 380–71** (для круга и квадрата размерами, отсутствующими в ТУ 14-1-3023–80); ГОСТ 19281–73* [для круга и квадрата с пределом текучести до 380 МПа (39 кгс/мм2) и размерами, отсутствующими в ТУ 14-1-3023–80]; ГОСТ 10705–80*; ГОСТ 10706–76*	1,050
ГОСТ 19281–73* [для круга и квадрата с пределом текучести свыше 380 МПа (39 кгс/мм2) и размерами, отсутствующими в ТУ 14-1-3023–80]; ГОСТ 8731–87; ТУ 14-3-567–76	1,100