Металлические конструкции

     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.).

     При проектировании металлических  конструкций должны учитываться следующие  требования:

      1. Условия  эксплуатации.

2. Экономия   металла    (высокая стоимость).

3. Транспортабельность (перевозка по частям или целиком с применением соответствующих транспортных  средств).
4. Технологичность – использование современных технологических приемов,  обеспечивающих  снижение  трудоемкости.
5. Скоростной монтаж. Сборка  в  наименьшие  сроки.
6. Долговечность – определяется сроками физического и морального износа.
7. Эстетичность. Конструкция должна  обладать  гармоничными формами.

      Основным принципом  проектирования является  достижение трех  главных показателей:  экономии стали,  повышение производительности  труда при изготовлении, снижение трудоемкости  и сроков монтажа,  которые  определяют  стоимость  конструкции.

      Достигается это путем использования  низколегированных и высокопрочных  сталей, экономичных прокатных и  гнутых профилей, внедрения в  строительство пространственных, предварительно  напряженных, висячих, трубчатых  и т. п. конструкций, совершенствованием методов расчета и изысканием  конструктивных оптимальных решений с использованием ЭВМ. Кроме того, разработаны типовые решения часто повторяющихся конструктивных элементов - колонн, ферм, подкрановых балок, оконных и фонарных проемов, радиомачт, башен, опор  линии электропередачи, резервуаров  т.п.  
 
 

2. Свойства  и работа строительных сталей и 

алюминиевых сплавов 

      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 - характеризует сопротивляемость материала внешним силовым  воздействиям  без  разрушения.

      Упругость – свойство материала восстанавливать свою первоначальную форму   после снятия  внешних нагрузок.

      Пластичность – свойство материала сохранять деформативное состояние после снятия  нагрузки,  т.е. получать остаточные деформации без разрушения.

      Хрупкость – склонность  разрушаться при малых деформациях.

      Ползучесть – свойство материала непрерывно деформироваться во времени без  увеличения  нагрузки.

      Твердость – свойство поверхностного слоя металла сопротивляться упругой и пластической деформациям или разрушению при внедрении в него индентора из  более твердого  материала.

      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.

     Диаграммы  растяжения различных металлов показаны на рис.1.1,б.  
 

1.3. Классификация сталей 

       По прочностным  свойствам стали условно делятся на три группы: обычной   (Ơ _у  = 29 кН/см), повышенной (Ơ _у = 29-40 кН/см)  и высокой прочности (Ơ _у >  >40 кН/см).

       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.

 

Рис.1.1. К определению  механических характеристик  металла:

                        а – образец для испытания на растяжение; б – к определению

                                 предела  пропорциональности  и предела упругости 
 
 

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

      Легированные стали помимо 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).

      Кремний раскисляет сталь, т.е. связывает избыточный кислород и повышает ее прочность, снижает пластичность, ухудшает свариваемость и коррозионную  стойкость.

      Марганец повышает прочность, снижает вредное влияние серы. При содержании  марганца   >  1,5%  сталь  становится  хрупкой.

      Медь повышает прочность, увеличивает стойкость против коррозии. Содержание  меди    >  0,7%   способствует  старению  и хрупкости стали.

      Хром и никель повышают прочность стали, без  снижения  пластичности

и  улучшают  ее  коррозионную  стойкость. 

      Алюминий раскисляет сталь, нейтрализует вредное влияние фосфора, повышает  ударную вязкость.

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

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

Фосфор относится к вредным примесям так как, повышает хрупкость стали.                                                      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.

      Спокойные стали используют при изготовлении ответственных конструкций, подвергающихся динамическим воздействиям. Полуспокойная сталь – промежуточная между кипящей и спокойной. 
 

                    1.4. Выбор сталей для строительных конструкций. 

      Выбор стали ведется на основе  вариантного проектирования и  технико-экономического анализа  с учетом рекомендаций норм. Поэтому  следует стремиться к большей  унификации конструкций, сокращению  числа профилей и сталей. Выбор стали, зависит от следующих параметров, влияющих на работу материала:

     температуры среды;

     характера нагружения;

     вида  напряженного состояния;

     способа соединения элементов;

     толщины проката.

      В зависимости от условий работы  материала все виды конструкций разделены  на  четыре  группы:

      К первой группе относятся сварные конструкции, работающие в особо тяжелых условиях, поэтому возможно хрупкое и усталостное разрушение, К свойствам сталей для этих конструкций предъявляются наиболее высокие требования.                      

     Ко второй группе относятся сварные конструкции, работающие на статическую нагрузку при воздействии одноосного и однозначного двухосного поля растягивающих напряжений (например, фермы, ригели рам, балки перекрытий и покрытий и т. д.), а также конструкции первой группы при отсутствии  сварных  соединений.

      Общим для конструкций этой  группы является повышенная опасность  хрупкого разрушения. Вероятность  усталостного разрушения меньше, чем для первой  группы.

      К третьей группе  относятся сварные конструкции, работающие при преимущественном  воздействии сжимающих напряжений (например, колонны, стойки, опоры под оборудование и др.), а также конструкции второй группы при  отсутствии  сварных  соединений.

      В четвертую группу включены вспомогательные конструкции и элементы (связи, элементы фахверка, лестницы, ограждения и т. п.),  а также конструкции третьей группы  при отсутствии  сварных соединений.

      Если для конструкций третьей  и четвертой групп достаточно ограничиться требованиями к прочности при статических нагрузках, то для конструкций первой и второй групп важна оценка сопротивления стали динамическим воздействиям  и хрупкому  разрушению.

      В материалах для сварных конструкций  обязательно следует оценить свариваемость. Требования к элементам конструкций, не имеющих сварных соединений,  могут  быть  снижены.

      В пределах каждой группы конструкций,  в зависимости от температуры  эксплуатации, к сталям предъявляют  требования по ударной вязкости при различных  температурах.

      В нормах содержится перечень  сталей в зависимости от группы  конструкций  и  климатического  района  строительства. 
 

1.5. Влияние различных  факторов на свойства  стали 

      Старение. При температурах ниже температуры образования феррита растворимость углерода ничтожна, но все же в небольшом количестве он остается. При благоприятных обстоятельствах углерод выделяется, располагается между зернами феррита и группируется у различных дефектов кристаллической  решетки.

      Старению способствуют – механические воздействия, особенно пластические деформации (механическое старение), температурные колебания, приводящие к изменению растворимости и скорости диффузии компонентов (температурное старение). При температуре 150-200ºС  старение резко возрастает.

      Наклеп.  Повторные загружения в пределах упругих деформаций (до предела упругости) не изменяют вида диаграммы работы стали, нагружение и разгрузка будут происходить по одной линии (рис.1.2.а).

 
 

Рис.1.2. Диаграммы деформирования стали при повторном нагружении:

а – в пределах упругих  деформаций;  б  – с перерывом (после  «отдыха»);

в – без перерыва 

     Если образец загрузить  до пластического состояния и  затем снять нагрузку, то появятся остаточные деформации  ε_ост. При повторном нагружении образца после некоторого «отдыха» материал работает упруго до уровня предыдущего загружения. Повышение упругой работы материала в результате предшествующей пластической деформации называется наклепом.      При наклепе искажается атомная решетка и увеличивается плотность дислокаций. Пластичность стали снижается, повышается опасность хрупкого разрушения, что неблагоприятно сказывается на работе строительных конструкций.