Классификация строительных сталей. Выбор сталей для строительных конструкций

 

По прочностным свойствам стали условно делят на три группы:обычной прочности (σ_у < 29 кН/см²); повышенной прочности (29 кН/см² ≤ _у < 40 кН/см²); высокой прочности (σ_у ≥40 кН/см²).

 

Повышение прочности стали достигается легированием и термической обработкой.

 

По химическому составу стали подразделяют на углеродистые илегированные. Углеродистые стали обыкновенного качества состоят из железа и углерода с некоторой добавкой кремния (или алюминия) и марганца. Прочие добавки (медь, хром и т.д.) специально не вводятся и могут попасть в сталь из руды.

 

Основными легирующими добавками являются кремний (С), марганец (Г), медь (Д), хром (X), никель (Н), ванадий (Ф), молибден М), алюминий (Ю), азот (А). Состав легирующих добавок указывают в наименовании стали: первые две цифры в марке стали соответствуют содержанию углерода в сотых долях процента, далее перечисляют добавки и их содержание с округлением до целых процентов, цифру I при этом обычно не проставляют. Например: 09Г2С. 14Г2АФ.

 

В зависимости от вида поставки стали подразделяют на горячекатаные и термообработанные (нормализованные или термически улучшенные).Вгорячекатаном состоянии сталь далеко не всегда обладает оптимальным комплексом свойств. При нормализации измельчается структура стали, повышается ее однородность, увеличивается вязкость, однако существенного повышения прочности не происходит. Термическое улучшение (закалка в воде и высокотемпе-ратурный отпуск) позволяют получить стали высокой прочности, хорошо сопротивляющиеся хрупкому разрушению. Существенное снижение затрат по термической отработке стали можно получить, если проводить закалку непосредственно с прокатного нагрева.

 

По степени раскисления стали могут быть кипящими, полуспокойными,

 

спокойными. Нераскисленные стали кипят при разливке вследствие выделениягазов: такая сталь носит название кипящей и оказывается более засоренной газами и менее однородной.

 

Механические свойства несколько изменяются по длине слитка ввиду неравномерного распределения химических элементов. Особенно это относится к

 

головной части, которая получается наиболее рыхлой (вследствие усадки и наибольшего насыщения газами), и в ней происходит наибольшая ликвация вредных примесей и углерода. Поэтому от слитка отрезают дефектную часть, составляющую примерно 5% массы слитка. Кипящие стали, имея достаточно хорошие показатели по пределу текучести и временному сопротивлению, хуже сопротивляются хрупкому разрушению и старению.

 

Стали обычной прочности (_у< 29кН/см²).К этой группе относятнизкоуглеродистые стали (С235...С285) различной степени раскисления, поставляемые в горячекатаном состоянии. Обладая относительно небольшой прочностью, эти стали очень пластичны: протяженность площадки текучести составляет 2,5% и больше, соотношения σ_у/σ_и = 0.6...0.7. Хорошая свариваемость обеспечивается низким содержанием углерода (не более 0,22%) и кремния. Коррозионная стойкость - средняя, поэтому конструкции, выполненные из сталей обычной прочности, следует защищать с помощью лакокрасочных и других покрытий. Однако благодаря невысокой стоимости и хорошим технологическим свойствам стали обычной прочности очень широко применяют для строительных металлических конструкций. Потребление этих сталей составляет свыше 50% от общего объема. Недостатком низкоуглеродистых сталей является склонность к хрупкому разрушению при низких температурах (особенно для кипящей стали С235), поэтому их применение в конструкциях, эксплуатирующихся при низких отрицательных температурах, ограничено.

 

Стали повышенной прочности (29кН/см²< σ_у < 40кН/см²).Сталиповышенной прочности (С345...С390) получают введением при выплавке легирующих добавок. В основном марганца и кремния, реже никеля и хрома, либо термоупрочнением низкоуглеродистой стали (C345T). Пластичность стали при этом несколько снижается и протяженность площадки текучести уменьшается до 1…1,5%

 

Стали повышенной прочности несколько хуже свариваются (особенно стали с высоким содержанием кремния) и требуют, иногда использования специальных технологических мероприятий дли предотвращения образования горячих трещин.

 

По коррозионной стойкости большинство сталей этой группы близки к низкоуглеродистым сталям. Более высокой коррозионной стойкостью обладают стали с повышенным содержанием меди (С345Д, С375Д, С390Д).

 

Мелкозернистая структура низколегированных сталей позволяет значительно повысить их сопротивление хрупкому разрушению.

Стали высокой прочности (σ_у ≥ 40кН/см²).Прокат из стали высокойпрочности (С440...С590) получают, как правило, путем легирования и термической обработки. Стали высокой прочности могут не иметь площадки текучести (при _у> 50 кН/см²), и их пластичность (относительное удлинение) снижается до 14% и ниже. Отношение σ_y/σ_u увеличивается до 0,8...0.9. что не позволяет учитывать при расчете конструкций из этих сталей пластические деформации

 

Выбор стали для стальных конструкций.

 

Выбор стали производит на основе вариантного проектирования и технико-экономического анализа с учетом требований норм. В целях упрощения заказа металла при выборе стали следует стремиться к большей унификации конструкций,

 

сокращению количества сталей и профилей. Выбор стали зависит от следующих факторов, 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 или 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.

При выборе стали необходимо учитывать группу конструкций.

 

К первом группе относят сварные конструкции,работающие в особо тяжелыхусловиях или подвергающиеся непосредственному воздействию динамических, вибрационных или подвижных нагрузок (например, подкрановые балки, балки рабочих площадок или элементы эстакад, непосредственно воспринимающих нагрузку от подвижных составов, фасонки ферм и т.д.). Напряженное состояние таких конструкций характеризуется высоким уровнем и большой частотой нагружения.

 

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.

 

Ко второй группе относят сварные конструкции,работающие на статическуюнагрузку при воздействии одноосного и однозначного двухосного растягивающих напряжений (например, фермы, ригели рам, балки перекрытий и другие растянутые, растянуто-изгибаемые и изгибаемые элементы), а также конструкции второй группы при отсутствии сварных соединений.

 

Общим для конструкций этой группы является повышенная опасность хрупкого разрушения, связанная с наличием поля растягивающих напряжений. Вероятность усталостного разрушения здесь меньше, чем для конструкций первой группы.

 

К третьей группе относят сварные конструкции,работающие припреимущественной воздействии сжимающих напряжений (например, колонны, стойки, опоры под оборудование и другие сжатые и сжато-изгибаемые элементы), 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.

 

3.9 Подобрать сечение однопролетной стальной прокатной балки настила. Расчетная погонная нагрузка на балку q=33,0 кН/м, пролет 7 м. С245, g_с =1

 

Решение:

 

1. Предварительный подбор балки проводим по формуле:

 

M =

ql2

=

33.0 × 7

= 202,1кН × м

202,1×100

W

=

Mmax

=

= 752см3;

red

c1

× R y × gc

1,12 × 24 ×1

2.

Принимаем

двутавр

40Б1. Wx=803,6см3; Ix=15750см4;

Sx=456см;

m=48,1кг/м; t_w=7мм.

 

3. Проводим проверку с учетом собственного веса балки по двум предельным состояниям.