Раздел 1 МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ Доцент, к.т.н. Костюк Елена Геннадиевна Практическое занятие 1-2 Материалы и сортамент для стальных конструкций Литература 1. Металлические конструкции : учебник для студ. учреждений высш. проф. образования / [Ю.И.Кудишин, Е.И.Беленя, В.С.Игнатьева и др.] ; под ред. Ю.И.Кудишина. — 13-е изд., испр. — М. : Издательский центр «Академия», 2011. — 688 с. — (Сер. Бакалавриат). 2. СНиП II–23–81*. Стальные конструкции. – Введ. 1982-01-01. – М. : ЦИТП Госстроя СССР, 1990. – 96 с. Материалы Материал – один из основных факторов, определяющих надежность, долговечность и экономичность несущих металлоконструкций. Поэтому строительные стали должны обладать соответствующими механическими характеристиками, иметь определенный химический состав в связи со сваркой и коррозией стали, хорошо свариваться и быть экономичными. Металлургические заводы поставляют сталь трех групп: А, Б, В. В расчетных строительных конструкциях применяют в основном сталь группы В, которую заводы производят с гарантией и механических свойств, и химического состава. В нерасчетных сварных элементах может применяться сталь группы Б, с гарантией лишь химического состава, в клепаных – сталь группы А, с гарантией только механических свойств ( ГОСТ 380-2005 Сталь углеродистая обыкновенного качества). По степени раскисления стали могут быть кипящими (нераскисленными) (КП), полуспокойными (ПС), спокойными (СП). Нераскисленные стали кипят при остывании вследствие выделения газов. Такая сталь имеет неоднородную крупнозернистую структуру и более засорена включениями; кипящие стали имеют удовлетворительные механические характеристики, но склонны к старению и образованию горячих и холодных трещин. Для улучшения качества стали ее раскисляют малыми добавками (0,1–0,3 %) кремния, алюминия, что нейтрализует влияние кислорода и способствует образованию однородной мелкозернистой структуры. При остывании сталь спокойна. По химическому составу используют углеродистые стали марок 18кп, 18пс, 18Гсп, ВСт3кп2, ВСт3пс6, ВСт3сп5, ВСт3Гпс5 (с повышенным содержанием марганца), ВСтТпс (термоупроченная Ст3) и др., а также низколегированные стали марок 09Г2, 09Г2С, 10Г2С1, 09Г2С, 14Г2 (кремнемарганцовистые), 10ХСНД, 15ХСНД (природнолегированные), 10ХНДП (атмосферостойкая), 14Г2АФ, 16Г2АФ (комплексно легированные) Легирование улучшает качество и механические характеристики стали, но дорого, поэтому для упрочнения стали используют термообработку, а также термообработку совместно с комплексным легированием (например, карбонитридное легирование сталей марок 14Г2АФ). Основными легирующими добавками, кроме углерода, являются кремний (С), марганец (Г), медь (Д), ванадий (Ф), азот (А) в химически связанном состоянии. Качество стали, обозначаемое категорией, зависит от количества различных требований, гарантируемых заводом за доплаты: механические характеристики стали, ее химический состав, испытания на загиб в холодном состоянии, испытания на ударную вязкость при различных температурах и т. д. В строительстве применяют углеродистые стали 2, 5, 6-й категорий и низколегированные – 6, 7, 12, 13, 15-й категорий. Физико-механические свойства стали Прочность - сопротивление материала внешним силовым воздействиям без разрушения. Упругость - свойство материала восстанавливать свою первоначальную форму после снятия внешних нагрузок. Пластичность - свойство материала получать остаточные деформации (не возвращаться в первоначальное состояние) после снятия внешних нагрузок. Хрупкость - склонность материала к разрушению при малых деформациях. Ползучесть - свойство материала непрерывно деформироваться во времени без увеличения нагрузки. Твердость - свойство поверхностного слоя металла сопротивляться деформации или разрушению. Коррозионная стойкость определяет долговечность стальных конструкций и зависит от химического состава. Свариваемость. Наклеп, старение, неравномерное распределение напряжений, усталость. 5 ВЫБОР СТАЛЕЙ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ МК Выбор стали производится на основе вариантного проектирования и технико-экономического анализа с учетом рекомендаций норм. В целях упрощения заказа металла при выборе стали следует стремиться к большей унификации конструкций, сокращению числа сталей и профилей. Выбор стали зависит от следующих параметров, влияющих на работу материала: • температуры среды, в которой монтируется и эксплуатируется конструкция. Этот фактор учитывает повышенную опасность хрупкого разрушения при пониженных температурах; • характера нагружения, определяющего особенность работы материала и конструкций при динамической, вибрационной и переменной нагрузках; • вида напряженного состояния (одноосное сжатие или растяжение, плоское или объемное напряженное состояние) и уровня возникающих напряжений (сильно иди слабо нагруженные элементы); • способа соединения элементов, определяющего уровень собственных напряжений, степень концентрации напряжений и свойства материала в зоне соединения; • толщины проката, применяемого в элементах. Этот фактор учитывает изменение свойств стали с увеличением толщины. Практически это реализуется с помощью таблицы 50* СНиП [2], в которой все конструкции в зависимости от назначения и характера силовых воздействий разделены на четыре группы. В каждой группе дан перечень конструкций, приведены марки и указаны категории сталей в зависимости от климатического района строительства. При заказе указывают группу и сталь, степень раскисления, группу прочности, ГОСТ и свариваемость. Группа 1 2 3 4 Описание конструкций Сварные, работающие в особо тяжёлых условиях. Сварные подвергающиеся воздействию динамических, вибрационных или подвижных нагрузок (подкрановые балки, элементы эстакад, главные балки, испытывающие динамические нагрузки, фасонки ферм, транспортные галереи, опоры линии электропередач, мачты, оттяжки, дымовые трубы, бункеры, резервуары, оболочки. Сварные конструкции либо их элементы, работающие при статической нагрузке при наличии растягивающих напряжений: фермы, балки, ригели, косоуры, опоры высотой до 60 м Сварные конструкции либо их элементы, работающие при статической нагрузке при наличии сжатых напряжений: колонны, стойки, опорные плиты, настилы, связи, анкерные конструкции, прогоны Вспомогательные конструкции: фахверк, лестницы, тапы, ограждения Конструкции первой группы работают в наиболее сложных условиях, способствующих возможности их хрупкого или усталостного разрушения, поэтому к свойствам сталей для этих конструкций предъявляются наиболее высокие требования. Общим для конструкций второй группы является повышенная опасность хрупкого разрушения, связанная с наличием поля растягивающих напряжений. Вероятность усталостного разрушения здесь меньше, чем для конструкций первой группы, 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 оценивать свариваемость. Требования к элементам конструкций, не имеющих сварных соединений, могут быть снижены, так как отсутствие полей сварочных напряжений, более низкая концентрация напряжений и другие факторы улучшают их работу, В пределах каждой группы конструкций в зависимости от температуры эксплуатации к сталям предъявляются требования по ударной вязкости при различных температурах. Окончательный выбор стали в пределах каждой группы должен выполняться на основании сравнения технико-экономических показателей (расхода стали и стоимости конструкций), а также с учетом заказа металла и технологических возможностей завода-изготовите ля. Малоуглеродистые Группа сталей ГОСТ 277722015 С235 С245 С255 С275 С285 ГОСТ535; ГОСТ19281 Ст3кп Ст3пс Ст3сп5 Ст4сп Ст5пс С285 Ст5сп Низколегированные Ст6пс, Ст6сп С345 С375 С390 С440 09Г2С-12 14Г2, 15ХСНД 14Г2АФ, 10ХСГД 16Г2АФ ИСО Е 235 (Fе360) - А Е 235 (Fе360) - В Е 235 (Fе360) - С Е 275 (Fе430) - С Е 355 (Fе510) - В, Fе490 Е 355 (Fе510) - С, Fе490 Fе590 9 ГОСТ 27772-2015 – Прокат для строительных стальных конструкций. Общие технические условия С235, С245, С255, С275, С285, С345, С345К, С375, С390, С390К, С440, С590, С590К ГОСТ 535-2005 - сортовой и фасонный прокат ГОСТ 14637-89 – толстолистовой прокат Ст0, Ст1кп, Ст2пс, Ст2сп, Ст3сп, Ст4сп, Ст5пс ГОСТ 19281-89 – стали повышенной прочности 09Г2, 09Г2С, 09Г2Д, 15ХСНД, 10ХНДП, 10ХСНД Обозначения: С – кремний, Г – марганец, П – фосфор, Н – никель, Х – хром, Д – медь, Ф – ванадий, М – молибден, Т – титан, Ю – алюминий 10 ! Стали по ГОСТ 27772-2015 – основные марки сталей. Показатель Ед. изм. кг/м3 °С-1 Сталь Чугун 7,85·103 7,2·103 0,12·10-4 0,1 - 0,12·10-4 Алюминиевые сплавы 2,7·103 0,23·10-4 Е G кгс/см2 кгс/см2 ед. 2,1·106 0,8·106 0,3 1 - 1,3·106 0,4 - 0,5·106 0,25 - 0,35 0,7·106 0,27·106 0,3 Показатель Ед. изм. Обычные стали у u МПа 225 - 285 Стали повышенной прочности 305 - 390 Стали высокой прочности > 400 460 - 540 14 - 20 -/34-39/29-34/29 > 560 14 - 20 -/34/29/- KC при T=-20/ -40/-70/мех.ст. 360 - 390 МПа % 17 - 24 Дж/см2 29/-/-/29 11 Классы элементов конструкций по НДС 1-й класс – упругое состояние 2-й класс – упругопластическое состояние 3-й класс – пластическое состояние (условный пластический шарнир) напряжения по всей площади сечения не превышают расчетного сопротивления стали напряжения в одной части сечения не превышают, а в другой достигли расчетного сопротивления стали напряжения по всей площади сечения достигла расчетного сопротивления стали 12 Алюминиевые сплавы. Алюминий по своим свойствам существенно отличается от стали. Его плотность р = 2,7 т/м3, т. е. почти в 3 раза меньше плотности стали. Модуль продольной упругости алюминия Е - 71000 МПа, модуль сдвига G - 27 000 МПа, что примерно в 3 раза меньше, чем модуль продольной упругости и модуль сдвига стали. Алюминий не имеет площадки текучести. Прямая упругих деформаций непосредственно переходит в кривую упругопластических деформаций (рис. 1.7). Алюминий очень пластичен: удлинение при разрыве достигает 40— 50%, но прочность его весьма низкая: са = 6... 7 кН/см2, а условный предел текучести о02 = 2...3 кН/см2. Чистый алюминий быстро покрывается прочной оксидной пленкой, препятствующей дальнейшему развитию коррозии. а а — диаграммы растяжения; 1 — чистый алюминий; 2 — сплав 1915; 3 — сплав 1915Т1; 4 — сталь С245; 6 — зависимости временного сопротивления (1) и условного предела текучести (2) от температуры Вследствие весьма низкой прочности технически чистый алюминий в строительных конструкциях применяется довольно редко. Значительное увеличение прочности алюминия достигается путем легирования его магнием, марганцем, медью, кремнием, цинком и некоторыми другими элементами. Временное сопротивление легированного алюминия (алюминиевых сплавов) в зависимости от состава легирующих добавок в 2 — 5 раз выше, чем технически чистого; однако относительное удлинение при этом соответственно в 2 — 3 раза ниже. С повышением температуры прочность алюминия снижается и при температуре свыше 300 °С близка к нулю. Особенностью рада многокомпонентных сплавов А1 — Mg—Si, Al—Си — Mg, At — Mg— Zn является их способность к дальнейшему увеличению прочности в процессе старения после термической обработки; такие сплавы называются термически упрочняемыми. Временное сопротивление некоторых высокопрочных сплавов (системы Al— Mg— Zn) после термической обработки и искусственного старения превышает 40 кН/см3, относительное удлинение при этом составляет всего 5—10 %. Термическая обработка сплавов двойной композиции (А1 — Mg, Al — Мп) к упрочнению не приводит, такие сплавы получили название термически неупрочняемых. Повышение условного предела текучести σ02 изделий из этих сплавов в 1,5 — 2 раза может быть достигнуто холодной деформацией (нагартовкой), относительное удлинение при этом также существенно снижается. Следует отметить, что показатели всех основных физических свойств сплавов вне зависимости от состава легирующих элементов и состояния практически не Коррозионная стойкость сплавов зависит от состава легирующих добавок, состояния поставки и степени агрессивности внешней среды. На отправляемых с завода полуфабрикатах указывается марка сплава и состояние поставки: М — мягкое (отожженное); Н — нагартованное; Н2 — полунагартованное; Т — закаленное и естественно состаренное в течение 3 — 6 сут при комнатной температуре; Т1 — закаленное и искусственно состаренное в течение нескольких часов при повышенной температуре; Т4 — не полностью закаленное и естественно состаренное; Т5 — не полностью закаленное и искусственно состаренное. Полуфабрикаты, поставляемые без обработки, дополнительного обозначения не имеют. Из большого числа марок алюминия к применению в строительстве рекомендуются следующие: • термически неупрочняемые сплавы: АД1 и АМцМ; АМг2М и АМг2МН2 (листы); АМг2М (трубы); • термически упрочняемые сплавы: АД31Т1; АД31Т4 и АД31Т5 (профили); • 1915 и 1915Т; 1925 и 1925Т; 1935, 1935Т, АД31Т (профили и трубы). Все указанные выше сплавы, за исключением сплава 1925Т, который используется только для клепаных конструкций, хорошо свариваются. Для литых деталей используется литейный сплав марки АЛ8. Конструкции из алюминия благодаря малой массе, стойкости против коррозии, хладностойкости, антимагнитное, отсутствию искрообразования, долговечности и хорошему виду имеют широкие перспективы применения во многих областях строительства. Однако из-за высокой стоимости использование алюминиевых сплавов в строительных конструкциях ограничено. Профили и сечения 16 Листовая сталь 1.ПРОКАТ ЛИСТОВОЙ ГОРЯЧЕКАТАНЫЙ. Сортамент ГОСТ 19903-2015 * Настоящий стандарт распространяется на листовой горячекатаный прокат (далее - прокат) шириной 500 мм и более, изготовляемый в листах толщиной от 0,4 мм до 160,0 мм и рулонах толщиной от 1,2 мм до 25,0 мм. Рулон может состоять не более чем из двух кусков (отдельных или соединенных сварным швом). 2.ПРОКАТ ЛИСТОВОЙ ХОЛОДНОКАТАНЫЙ. Сортамент ГОСТ 19904-90 –! Холоднокатаная сталь значительно дороже горячекатаной. Настоящий стандарт распространяется на листовой холоднокатаный прокат шириной 500 мм и более, изготовляемый в листах толщиной от 0,35 до 5,00 мм, рулонах толщиной от 0,35 до 3,50 мм. 3.ПРОКАТ СТАЛЬНОЙ ГОРЯЧЕКАТАНЫЙ ШИРОКОПОЛОСНЫЙ УНИВЕРСАЛЬНЫЙ. Сортамент ГОСТ 82-70 Настоящий стандарт распространяется на горячекатаный широкополосный прокат шириной от 200 до 1050 мм и толщиной от 6 до 60 мм, прокатываемый на универсальных станах. Пример условного обозначения широкополосного универсального проката марки Ст.3сп, толщиной 20 мм, шириной 500 мм с ребровой кривизной по классу А: 17 Уголковые профили Сталь прокатная угловая равнополочная по ГОСТ 8509-93 Сталь прокатная угловая неравнополочная по ГОСТ 851086* 18 Швеллеры Швеллеры стальные горячекатаные. Сортамент ГОСТ 8240-97 Поперечное сечение швеллеров серий У, С должно соответствовать приведенному на рисунке 1, серий П, Э, Л - на рисунке 2. 2015 2015 Двутавры Двутавры с параллельными гранями полок по ГОСТ Р 57837-2017 ОСТ 4Г 0.020.333-80 Балки двутавровые из горячекатаной стали (с Изменениями 1-11) Двутавр балочный нормальный, немерной длины (НД), номера профиля 20Б1, наименования стали С345, категории 5 по ударной вязкости по ГОСТ 27772-2015, горячекатаный (ГК): Балки стальные двутавровые сварные. Технические условия. Сортамент ГОСТ Р 58966-2020 Пример условного обозначения двутавра балочного нормального сварного, номера профиля 20Б1С, для группы конструкции 2 (в соответствии с приложением В СП 16.13330.2017), из стали марки С345 категории 5 по ударной вязкости по ГОСТ 27772: 20 Тавры ТАВР ТУ 14-2-685-86 с параллельными гранями полок, получаемые продольной разрезкой пополам двутавров по ГОСТ 26020-83 2015 21 Гнутые профили Гнутые равнополочные швеллеры по ГОСТ 8278-83* 2015 Профили стальные гнутые замкнутые сварные квадратные и прямоугольные для строительных конструкци ГОСТ 30245-2003 Пример условного обозначения гнутого сварного профиля высотой 180, шириной 100, толщиной стенки 5 мм из стали С245 по ГОСТ 27772: 22 . 2015 Профили стальные гнутые несущих и ограждающих конструкций зданий и сооружений ТУ 1120-011-541083892014 Профиль стоечный : h=100 – 300 мм, b1=54 мм, b2=50 мм, t=0,8 – 2,0 мм Пример условного обозначения: АРС ПС-300-50-1,5 ТУ 1120-011-541083892014 Профиль стоечный упрощенный: h=100 – 200 мм, b1=54 мм, b2=50 мм, t=0,8 – 2,0 мм Пример условного обозначения: АРС ПСУ-150-50-0,8 ТУ 1120011-54108389-2014 23 ТРУБЫ Стальные трубы бывают круглые – горячекатаные ГОСТ 8732-78 с изм. и ГОСТ 10704-91 "Трубы стальные электросварные прямошовные. Сортамент"*., а также прямоугольного и квадратного сечения – электросварные. Трубчатые профили особенно Широко применяются в современных решетчатых строительных конструкциях – фермах, арках, рамах, куполах экономичны при применении в сжатых элементах благодаря наибольшему значению радиуса инерции при заданной площади сечения. Труба наружным диаметром 70 мм, толщиной стенки 3,5 мм, длиной, кратной 1250 мм, обычной точности изготовления, из стали марки 10, изготовляется по группе Б ГОСТ 8731-74 Трубы стальные бесшовные горячедеформированные. Технические требования: Горячекатаные бесшовные трубы имеют диаметр от 25 до 550 мм с толщиной стенок от 2,5 до 75 мм. Эти трубы применяются главным образом в конструкциях радио- и телевизионных опор. Круглые электросварные трубы имеют диаметр от 8 до 1620 мм с толщиной стенок от 1 до 16 мм. Правила использования профилей При проектировании отдельных конструктивных элементов, а также конструкций в целом следует использовать минимально необходимое число различных профилей. При применении в одном отправочном элементе уголков, тавров или полос одного номинального размера, но разной толщины, градация толщин должна быть не менее 2 мм. Не допускается применять в одном отправочном элементе одинаковые профилеразмеры из разных марок сталей. Не допускается применять в одном объекте профилированные листы одной номинальной высоты, но разной толщины 25 Типы сечений Простые Составные Сплошные Сквозные 26
