Лекция 5. Металлические конструкции

Достоинства металлов как строительных материалов:

• Высокая надежность и долговечность вследствие изотропности;

• Металлы имеют высокую прочность (при меньших сечениях могут воспринимать значительные усилия);

• Самый высокий модуль упругости Е = 2,06 10⁵ МПа – стали и Е = 0,7 10⁵ МПа у алюминия;

• Высокая транспортабельность (при малых затратах доставляются на строительные площадки в труднодоступных районах);

• Сплошность и герметичность изделий из стали (резервуары, газгольдеры);

• Индустриальность;

• Простота реконструкции и усиления;

• Сохраняемость металлического фонда.

Недостатки металлов как строительных материалов:

• Низкая огнестойкость. При t  400 оС у сталей и  200 оС у алюминиевых сплавов начинается ползучесть и развиваются пластичные деформации при постоянных нагрузках. (Огнезащита – окраска специальными составами, оштукатуривание и т.п.);

• Подверженность коррозии (стали);

• Высокая стоимость (12…30 тыс. руб. за 1 т металлоконструкций в деле; алюминиевые конструкции в 6-10 раз дороже).

Область применения МК:

• Одноэтажные промышленные здания с пролетами более 24м;

• Малоэтажные здания в труднодоступных районах;

• Высотные здания, высотой более 25 этажей;

• Большепролетные здания;

• Мосты и эстакады;

• Башни и мачты;

• Листовые конструкции;

• Специальные сооружения (шлюзы, радиотелескопы, крупные экскаваторы, башенные краны, антенны космической связи).

Лекция 5. Часть 2. Металлические конструкции

Марки строительных сталей

Сталь – сплав железа с углеродом. Углерод повышает прочность стали, но снижает ее пластичные свойства и ухудшает свариваемость. Поэтому для сварных конструкций применяют только низкоуглеродистые стали с содержанием углерода не более 0,22 %.

Вырабатываемые металлургической промышленностью стали подразделяются на стандартные сорта, называемые марками.

Марки сталей классифицируются по нескольким признакам, главными из которых являются:

а) механические свойства;

б) химический состав;

в) степень раскисления (различают кипящие, полуспокойные, спокойные стали);

г) хладостойкость (характеризуемая ударной вязкостью и температурой, при которой она гарантируется).

Сплавы железа, содержащие более 2 % углерода, называют чугунами.

В состав всех сталей в качестве вредных примесей, от которых невозможно избавиться, входят сера и фосфор. Сера делает сталь красноломкой (при температуре 800—1000 °С возникают трещины). Фосфор сообщает стали свойство хладноломкости (трещины легко возникают при отрицательных температурах).

Вредными являются также примеси кислорода, водорода и азота (если последний находится в химически несвязанном состоянии). Все они повышают хрупкость стали, а кислород еще действует подобно сере, поэтому при сварке расплавленную сталь надо изолировать от воздуха.

Сталь называется легированной, если для улучшения качества в ее состав специально введены облагораживающие (легирующие) элементы, отсутствующие в обычной углеродистой стали, или если она содержит повышенное количество кремния и марганца (эти два элемента в небольших количествах входят во все стали).

Если расплавленная сталь разливается неполностью раскисленной, то она бурно кипит, выделяя большое количество газов. Часть газов не успевает удалиться из затвердевающего металла и образует газовые пузыри. Такая сталь называется кипящей.

В элементах, прокатанных из кипящей стали, газовые пузырьки играют роль концентраторов напряжений, поэтому ее нельзя применять для ответственных сварных конструкций.

Спокойная сталь дороже кипящей, ее используют в ответственных сварных сооружениях, работающих на динамические нагрузки и при низких температурах.

Полуспокойная сталь по качеству является промежуточной между кипящей и спокойной.

Стали условно делятся на три группы:

• Обычной прочности (  29 кН/см2) или малоуглеродистые стали;

• Повышенной прочности (29 кН/см2    40 кН/см2) или низколегированные;

• Высокой прочности (  40 кН/см2).

Обозначение сталей по ГОСТ 27772-88: С235…С285; С345…С390; С440…С590 соответственно.

Буква С – обозначает сталь строительную, цифра показывает значение предела текучести _ в МПа.

Малоуглеродистые стали применяются в строительстве наиболее широко (поэтому их иногда называют сталями обычной прочности).

Сталь по ГОСТ 380-88* поставляется по 3 группам – А, Б, В.

Наиболее распространенные марки малоуглеродистых строительных сталей: ВСт3Пс6-1, ВСт3Сп5-1, ВСт3ГПс5-1.

Цифры – условно порядковый номер марки, отличаются содержанием углерода.

Низколегированные стали более прочные, обозначение марок – из букв и цифр.

Например: 09Г2С – углерода 0,09%; марганца до 2%; кремния до 1%.

Буквами обозначаются: А – азот, Г – марганец, Д – медь, М – молибден, Н – никель, С – кремний, Ф – ванадий, Х – хром, Ю – алюминий.

Разные легирующие компоненты по разному влияют на свойства стали. Медь – повышает коррозионную стойкость, никель, хром, молибден - повышают прочность и пластичность. Фосфор, сера – вредные примеси, приводит к хладноломкости и красноломкости. Их содержание не должно превышать 0,035 и 0,040% соответственно.

Примеры: 09Г2С; 10Г2С1; 15ХСНД…

Стали повышенной и высокой прочности получают легированием и термоупрочнением. Термическая обработка заключается в нормализации или в закалке с отпуском.

Примеры: 14Г2АФ, 16Г2АФ, 18Г2АФ...

Преимущества сталей повышенной и высокой прочности:

• общая экономия металла до 20—50 %, которая достигается в основном в растянутых элементах, в сжатых элементах большой гибкости экономии почти не получается;

• хорошее сопротивление хрупкому разрушению при низких температурах.

Недостатки этих сталей по сравнению с малоуглеродистыми:

• трудность обработки при изготовлении (сложно производить правку элементов, имеющих местные деформации), некоторые из высокопрочных сталей разупрочняются при сварке, многие требуют подогрева перед сваркой;

• чувствительность к концентрациям напряжений и, следовательно, низкая вибрационная прочность.

• Сортамент

• Сортаментом называются каталоги профилей, поставляемых металлургическими заводами (основоположник – Белелюбский, 1885 г.). В сортаменте более сотни профилеразмеров, но на практике часто пользуются только некоторыми из них.

• Чтобы упростить трудоемкие складские работы для нетиповых МК, используют сокращенный сортамент наиболее употребительных профилей.

• Фермы, балки, колонны и другие элементы МК образуются из профилей различной формы — листов, уголков, двутавров, швеллеров и т. д.

• Стальные профили получают:

• а) прокаткой;

• б) гнутьем в холодном состоянии из листов;

• в) сваркой (стальные трубы, замкнутые тонкостенные профили, двутавры).

• Прокатные профили обычно поставляются длиной до 12 м (уголки— до 13 м). Весь прокат можно разделить на фасонный (уголки, двутавры, швеллеры и т. д.) и листовой.

• Листовая сталь используется чаще всех других видов проката (рис. а). Масса ее в балках, колоннах, фермах составляет 40—60 % общей массы.

• Большая группа МК так и называется — листовые конструкции.

• Поставляются:

• а) сталь толстолистовая;

• б) тонколистовая;

• в) универсальная;

• г) полосовая;

• д) рулонная;

• е) кровельная;

• ж) листовая рифленая —для настилов;

• з) просечно-вытяжная (для настилов, удобна тем, что вследствие большого количества отверстий не допускает скопления пыли) и др.

• Двутавры (рис. г, е) и швеллеры (рис. д, и) — идеальные профили для изгибаемых элементов (балок) и очень удобны для сжатых элементов (колонна).

• Швеллеры и «зэты» (рис. л) хорошо работают на косой изгиб.

• Различают:

• а) двутавры обыкновенные;

• б) с параллельными гранями полок (рис. е);

• в) облегченные (под небольшие нагрузки).

• Швеллеры — обыкновенные и облегченные.

• Наибольший профиль: обыкновенного двутавра № 70, с параллельными гранями полок — № 100, швеллера № 40 (номер двутавра и швеллера соответствуют его высоте, выраженной в сантиметрах).

• Широкополочные двутавры могут служить целым строительным элементом (колонной, балкой), не требуя почти никакой обработки, поэтому использование их снижает трудоемкость изготовления МК в 2 — 3 раза.

• Трубы (круглые или прямоугольные (рис. ж, з, с) исключительно эффективны для сжатых элементов, так как радиус инерции у них больше радиуса других профилей одинаковой площади (экономия достигает 25 %).

• Уголки (рис. б, в, м) используются часто, так как они очень удобны при конструировании сечений любой конфигурации.

• Гнутые профили имеют толщину меньше, чем прокатные, поэтому в сжатых элементах они дают экономию до 10 %.

• Механические свойства металлов

• Кристаллическая структура стали состоит из зерен феррита (железо) – легкого и пластичного; цементита (сплав железа и углерода) – твердого, упругого и прочного; перлита – смесь цементита и феррита.

• Важнейшие механические свойства:

• а) прочность; б) упругость; в) пластичность; г) хрупкость; д) выносливость.

• Показатели, характеризующие первые три свойства, определяются при испытании стандартных образцов металла на центральное растяжение. Косвенной характеристикой хрупкости и выносливости является ударная вязкость.

Прочность — способность материала сопротивляться внешним силовым воздействиям.

Она определяется:

• размером предела прочности _вр (его называют еще временным сопротивлением) — это наибольшее напряжение, после достижения которого материал начинает разрушаться

• размером предела текучести _т — напряжение, при котором металл «течет».

Упругость — свойство материала восстанавливать свою первоначальную форму после снятия внешней нагрузки.

Ее характеризуют:

• предел пропорциональности (предел упругости практически совпадает с пределом пропорциональности _упр= _пц);

• модуль упругости Е.

Пределом пропорциональности называется наибольшее напряжение, при котором еще справедлив закон Гука —  = Е.

Пластичность (или статическая вязкость) — способность материала получать остаточные деформации после снятия внешних нагрузок. Чем больше эти деформации, тем выше пластичность.

Диаграммы растяжения для низколегированных сталей и для алюминиевых сплавов отличаются полным или почти полным отсутствием площадки текучести. Для этих материалов предел текучести условно определяется как напряжение, при котором образец получает удлинение в 0,2 % первоначальной длины.

Хрупкость и ударная вязкость. Хрупкость — способность материала разрушаться при ничтожных деформациях. Показатель, характеризующий хрупкость стали,— ударная вязкость — работа, затраченная на маятниковом копре для разрушения специального стандартного образца

Два вида разрушения:

а) пластическое (или вязкое) наступает после больших деформаций (до 25 % первоначальной длины элемента). Это чрезвычайно важно — задолго до разрушения сооружение получает настолько большие пластические деформации, что они становятся заметными на глаз, и есть время усилить слабое место в конструкции;

б) хрупкое разрушение гораздо опаснее — материал разрушается внезапно, без видимых деформаций. Так разрушается стекло. Но, как показала практика, в некоторых условиях даже очень пластичная сталь способна к хрупкому разрушению.

Хрупкому разрушению способствуют низкая температура, наличие концентраторов напряжений и объемных напряжений, наклеп, старение стали, динамический эффект нагрузки, усталость, склонность стали некоторых марок к хрупкому разрушению.

Строительные стали и алюминиевые сплавы — однородные материалы, хорошо подчиняющиеся закону Гука. Поэтому формулы для их расчета почти одинаковы — это формулы сопротивления материалов (с коррективами, учитывающими неупругие деформации стали, а в алюминиевых сплавах они не допускаются из-за отсутствия площадки текучести).

Потеря несущей способности может произойти вследствие разрушения материала, потери устойчивости, развития усталости. Для большей части предельных состояний первой группы структура расчетных формул одинакова. В основу расчета прочности положено условие: разрушение не наступит, если наибольшие напряжения не превысят расчетного сопротивления:

усилие

Напряжение = ----------------------------------  R _c / _n

геометрический фактор

МК эксплуатируются в разнообразнейших условиях. Очевидно, что чем они тяжелее, тем большие требования должны предъявляться к качеству стали. Условия работы определяются: отрицательной температурой района строительства; характером нагрузки (статическая или динамическая); видом соединений (сварные или болтовые); напряженным состоянием (растяжение, сжатие, изгиб).

По степени ответственности и в зависимости от условий эксплуатации для выбора марок сталей все конструкции разделены на 4 основные группы:

1. Конструкции, работающие в особо тяжелых условиях с воздействием динамических нагрузок (подкрановые балки, фасонки ферм, пролетные строения мостов т.д.).

2. Конструкции, работающие на статические нагрузки (растяжение, сжатие или изгиб): фермы, ригели, балки покрытия и перекрытия.

3. Конструкции, работающие при статической нагрузке на сжатие и сжатие с изгибом (колонны, стойки, опорные плиты, прогоны).

4. Вспомогательные конструкции (связи, элементы фахверка, лестницы, ограждения).