- •Горохов е.В., бакаев с.Н., алёхин а.М.
- •Тема 1. Введение. Структура курса
- •1.1. Цель и задачи изучения дисциплины. Структура курса.
- •1.2. Исторический очерк развития металлических конструкций в Украине
- •1.3. Преимущества и недостатки стальных конструкций, отрасли их применения
- •1.4. Основные требования, предъявляемые к стальным конструкциям
- •1.5. История развития науки о металлах.
- •1.6. Классификация металлов и сплавов.
- •Тема2. Производство черных и цветных металлов. Обработка металла давлением. Сортамент.
- •2.1. Основные понятия в металлургии.
- •2.2. Основные способы получения металлов из руд.
- •2.3. Топливо и огнеупорные материалы металлургического производства.
- •2.4. Производство чугуна.
- •2.4.1. Материалы для выплавки чугуна.
- •2.4.2. Подготовка исходных материалов к плавке.
- •2.4.3. Доменный процесс.
- •2.5. Производство стали.
- •2.5.1. Кислородно-конвертерный способ.
- •2.5.2. Выплавка стали в мартеновских печах.
- •2.5.3. Выплавка стали в электрических печах.
- •2.5.4. Разливка стали.
- •2.6. Производство цветных металлов.
- •2.6.1. Производство алюминия.
- •2.6.2. Производство меди.
- •2.6.3. Производство титана.
- •2.7. Общие сведения.
- •2.8. Прокатное производство.
- •2.9. Волочение.
- •2.10. Прессование.
- •2.11. Свободная ковка.
- •2.12. Горячая объемная штамповка.
- •2.13. Холодная объемная штамповка.
- •2.14. Листовая штамповка.
- •2.15. Сортамент изделий из алюминиевых сплавов.
- •Тема 3. Термическая и химико-термическая обработка стали
- •3.1. Превращения при нагреве стали.
- •3.2. Превращения в стали при охлаждении.
- •Характеристика структурных составляющих закаленной стали
- •3.3. Основные виды термической обработки стали.
- •3.4. Химико-термическая обработка сталей.
- •Тема 4. Углеродистые и легированные стали. Классификация, свойства, применение
- •4.1. Классификация сталей.
- •1. По структуре:
- •2. По способу производства:
- •3. По химическому составу.
- •4. По качеству.
- •5. По степени раскисления.
- •6. По назначению:
- •4.2. Конструкционные стали.
- •4.2.1. Углеродистые стали обыкновенного качества.
- •4.2.2. Углеродистые и легированные качественные стали.
- •4.2.3. Стали высококачественные и особо высококачественные.
- •4.2.4. Цементуемые углеродистые и легированные стали.
- •4.2.5. Улучшаемые углеродистые и легированные стали.
- •4.2.6. Высокопрочные легированные стали.
- •4.2.7. Рессорно-пружинные стали.
- •4.2.8. Шарикоподшипниковые стали.
- •4.2.9. Износостойкие стали.
- •4.3. Инструментальные стали.
- •4.4. Легированные стали специального назначения.
- •4.5. Стали, применяемые для конструкций зданий и сооружений.
- •Марки стали, заменяемые сталями по гост 27772-88
- •4.6. Определение марки стали экспресс-методом.
- •Определение химического состава стали экспресс-методом
- •Тема 5. Реальное строение металлов
- •5.1. Основные сведения о кристаллическом строении металлических тел.
- •5.2. Типы кристаллической решетки.
- •5.3. Особенности строения кристаллических тел.
- •5.4. Общая характеристика первичной кристализации.
- •5.5. Изменение кристаллической решетки при нагревании и остывании.
- •5.6.Изменения структуры в результате проката.
- •5.8. Дефекты кристаллического строения.
- •5.9. Изучение макро- и микроструктуры металлов и сплавов.
- •Тема 6. Черные и цветные металлы и сплавы, их свойства
- •6.1. Основные понятия о металлических сплавах.
- •6.2. Диаграмма состояния двойных сплавов.
- •6.2.1. Основная информация о диаграмме состояния.
- •6.2.2. Порядок построения диаграммы состояния.
- •6.3. Железоуглеродистые сплавы.
- •6.3.1. Компоненты и основные структурные составляющие железоуглеродистых сплавов.
- •6.3.2. Характеристика основных точек и линий диаграммы.
- •6.3.3. Структура сталей.
- •6.3.4. Чугуны. Структура чугунов.
- •6.4. Влияние углерода и легирующих элементов на свойства стали.
- •6.5. Цветные металлы и их сплавы.
- •6.6. Алюминий и его свойства.
- •6.7. Сплавы на основе алюминия.
- •6.8. Области применения алюминиевых сплавов.
- •6.9. Маркировка алюминиевых сплавов.
- •6.10. Свойства металлов и сплавов.
- •6.11. Методы испытания механических свойств.
- •Тема 7. Общие сведения о коррозии металлов и способы защиты от нее
- •Тема 8. Работа стали и алюминиевых сплавов в конструкциях
- •8 Участок текучести Самоупрочнение.1. Работа стали на растяжение
- •8.2. Работа стали на сжатие
- •8 (Предел текучести) Количество измерений(частота).3. Нормативные и расчетные сопротивления
- •8.4. Работа стали в сложном напряженном состоянии
- •8.5. Старение металла
- •8.6. Влияние температуры
- •8.7. Ударная вязкость
- •8.8. Работа стали при повторных и переменных нагрузках. Наклеп. Усталость стали.
- •Список литературы
- •Содержание
- •Тема 1. Введение. Структура курса 3
- •Тема 2. Производство черных и цветных металлов. Обработка металла давлением. Сортамент. 25
- •Тема 3. Термическая и химико-термическая обработка стали 65
- •Тема 4. Углеродистые и легированные стали. Классификация, свойства, применение 77
- •Тема 5. Реальное строение металлов 93
- •Тема 6. Черные и цветные металлы и сплавы, их свойства 106
- •Тема 7. Общие сведения о коррозии металлов и способы защиты от нее 144
- •Тема 8. Работа стали и алюминиевых сплавов в конструкциях 152
- •«Металлические конструкции»
- •«Материалы для металлических строительных конструкций»
Тема 1. Введение. Структура курса
1.1. Цель и задачи изучения дисциплины. Структура курса.
Цель изучения дисциплины «Материалы для металлических строительных конструкций» – дать студентам знания о строении и основных свойствах металлов и способах их регулирования, способах получения черных и цветных металлов и сплавов, а также о методах их обработки, что позволит правильно выбрать и использовать изделия из металлов в строительстве; знания о работе стали и алюминия в строительных конструкциях под действием нагрузок.
Специалист строительной индустрии, а также других отраслей промышленности, должен знать, как влияют на свойства металлов режимы обработки давлением, термической и химико-термической обработки металлов, в том числе при резке в процессе изготовления конструкций, а также об основных способах и технологиях изменения свойств металлов в заданном направлении (увеличение прочности, повышение или снижение пластичности, улучшение свариваемости стали и др.)
После изучения курса студент должен иметь представление о строении металлов и сплавов, способах их получения и обработки; понимать причины и механизм изменения строения и свойств металлов и сплавов при их обработке, в частности давлением, термической обработкой и свариванием; а также уметь правильно подобрать вид и марку металлического конструкционного материала для конкретных условий его применения, выбрать способ сварки, сварочные материалы, которые при соблюдении определенных технологических приемов позволили бы получить надежное и качественное соединение металлических конструкций.
Весь курс по данной дисциплине состоит из таких разделов:
1. Основы производства (металлургия) черных и цветных металлов;
2. Металловедение;
3. Обработка металлов:
– термическая обработка;
– основы литейного производства;
– обработка металлов давлением;
– обработка металлов резанием.
4. Работа стали и алюминиевых сплавов в строительных конструкциях:
– упругая и пластическая работа стали;
– нормативные и расчетные сопротивления стали;
– изменение свойств стали во времени;
– старение;
– работа стали в плоском и объемном напряженном состояниях;
– концентрация напряжений;
– неравномерное напряженное состояние;
– влияние температуры на свойства стали;
– огнестойкость;
– работа стали при низких температурах;
– ударная вязкость;
– работа металла при повторных и циклических нагрузках;
– наклеп;
– усталость металла;
– свойства алюминия.
1.2. Исторический очерк развития металлических конструкций в Украине
Строительство – одна из стародавнейших сфер деятельности человечества. Во все времена строительные сооружения имели не только утилитарное назначение, но и были определенным отображением производственных отношений и общественной практики конкретной исторической эпохи.
Тысячелетия длилась эпоха камней и древесины, хотя другие материалы, в том числе и металл, применялись в строительном деле достаточно давно. Однако лишь в середине XIX ст. стало возможным говорить о металлах как о строительных материалах. Самые значительные сооружения дальнейшего периода, так или иначе, связаны с применением этого замечательного строительного материала.
Крепкая металлургическая база, которая была создана в Украине в XIX ст., сыграла роль катализатора ускорения процесса внедрения стальных конструкций в строительстве. Только в конце XIX - в начале XX ст. было построено много выдающихся объектов - заводские корпуса в Донецком и Приднепровском промышленных районах, транспортные сооружения (мосты, вокзалы), общественные здания, среди которых самыми выдающимися по праву считаются театры в городах Одессе (1884-1897 гг.), Львове (1897-1900 гг.), Киеве (1899-1901 гг.).
С развитием хозяйства Украины потребность в стальных конструкциях росла. В отличие от полукустарных способов их изготовления в начале 30-х годов вступили в строй специализированные заводы металлоконструкций в городах Днепропетровске, Донецке, Мариуполе, Запорожье, Макеевке. В этот период отстроен железнодорожный мост в г. Киеве, мосты через г. Днепр при строительстве ДнепроГЭС, через г. Лопаний в г. Харькове. Построены большие металлургические заводы (рис. 1.1), наибольшие на то время доменные печи (в г. Мариуполе печь №1 выплавляла до 1000 т чугуну за сутки), стальные надшахтные копры (рис. 1.2).
Рис. 1.1. Схема поперечника главного корпуса мартеновского цеха завода Азовсталь
В послевоенные годы изготовление металлических конструкций неуклонно росло и на конец 60-х годов достигло 450 тыс.т. Традиционно большой объем использования стальных конструкций приходится на тяжелую индустрию, где возводится ряд уникальных объектов. На Криворожском металлургическом заводе в 1967 г. введено в строй наибольшую на то время в Европе доменную печь № 8 объемом 2700 м3, а в 1974 г. - всемирную рекордсменку - печь №9 объемом 5000 м3. На Мариупольском металлургическом заводе в 1962 г. вступила в строй первая очередь главного здания мартеновского цеха с печами объемом 900…1000 м3. Это здание пролетом 72 м и длиной 528 м, оборудованное мостовыми кранами грузоподъемностью 630 т. В 70-х г. на этом заводе завершено строительство кислородно-конвертерного комплекса, корпус прокатного стана которого имеет длину 1220 м, а в поперечном направлении - это четырехпролетное здание шириной 144 м с пролетом по 36 м. Еще более длинное здание (длиной 1260 м) было построено там же в 1984 г. - прокатный стан 3000.
Рис. 1.2. Схема надшахтных копров:
а - копер А-образной системы; б - копер станковой системы;
в- двухподъемный копер шатровой системы.
Стальные конструкции широко используют в больших сборочных цехах судостроительной промышленности (пролет такого цеха, который построен в г. Феодосии в 1978 г., равняется 96 м), в ангарах для самолетов, в сооружениях горнодобывающей промышленности. В 1960 г. введен в эксплуатацию первый отечественный транспортно-отвальный мост Стрижевского буроугольного карьера в Житомирской области, а самым большим является мост Шевченковского карьера (рис. 1.3) около Никополя (проекты разработаны институтом УкрНИИпроект под руководством М.М. Жербина).
Рис. 1.3. Транспортно-отвальные мосты Стрижевского (а),
Шевченковского (б) карьеров и угольного разреза "Абаканский-1" (в).
Уникальные объекты, возведенные в Украине, разработаны в основном инженерами двух специализированных институтов по проектированию металлических конструкций - УкрНИИпроектстальконструкция (г. Киев) и Днепрпроектстальконструкция (г. Днепропетровск). К их числу следует, в первую очередь, отнести телевизионную башню в г. Киеве (О. И. Шумицкий, И.Г. Затуловский, А.И. Калиничев и др.), высота которой 385 м - и до сих пор не превзойденная в Европе (среди стальных башен).
Среди других проектов заслуживают внимания промышленные комплексы, типичные разработки башен-труб высотой до 180 м, ряд мостов в разных городах Украины, каркасы многоэтажных зданий (рис. 1.4). В 1981 г. открыт Украинский государственный музей истории Великой Отечественной войны 1941-1945 гг., что не имеет аналогов за планировочным и конструктивным решением (рис. 1.4). Здание музейного комплекса состоит из нижней части - собственно музея диаметром 34,4 м и высотой 33,5 м - и скульптуры, которая венчает монумент, высотой от постамента к верху меча 75 м.
Рис. 1.4. Стальные каркасы общественных зданий :
а, б - схема каркаса и сечения колонн гостиницы "Киев" в г. Киеве;
в - конструктивное решение рамного узла (1 - колонна поперечника; 2, 3 - основные и малонагруженные колонны высотной части; 4 - колонны; 5 - балки перекрытия; 6 - вставки коробчатого сечения); г - схема каркаса высотной части книгохранилища Центральной научной библиотеки НАН Украины в г. Киеве.
Весомый вклад в создании новых объектов, усовершенствовании методов их расчета и проектирования, исследовании новых конструктивных форм вносят ученые Украины, многие из которых работают в высших учебных заведениях.
Первые сведения о применении металла в каркасах гражданских зданий в Украине принадлежат к 1870 г. Это экспериментальное строительство жилищных сооружений в Инкермане (Крым), а также реконструкция Андреевского собора в Киеве (в 1892 г.) с заменой поврежденных деревянных несущих конструкций купола на металлические. Металлические конструкции покрытия были применены в больших театрах, построенных в Киеве, Львове, Одессе. Для перекрытия зала зрителей городского театра в Киеве были использованы металлические стропильные фермы пролетом 17,8 м, верхний пояс которых имел параболические очертания и состоял из двух уголков 75100 мм (в 1901 г., арх. В.А. Шретер).
Рис. 1.5. Схема несущего каркаса здания и скульптуры мемориального комплекса "Украинский государственный музей истории Великой Отечественной войны 1941-1945 гг.".
В Одессе построен в 1903 г. дом кредитного общества, несущими конструкциями кровли которого были стальные стропильные фермы (рис. 1.6).
В 1897 г. началось строительство городского театра в Львове (арх. З. Горголевський). В перекрытиях сценической части применены решетчатые двухшарнирные арки пролетом 20 м и высотой 10 м, а для зала зрителя - стропильные фермы пролетом 20 м (рис. 1.7).
Рис. 1.6. Дом кредитного общества с металлическими конструкциями кровель в Одессе (в 1903 г.).
Рис. 1.7. Оперный театр в Львове (1897 – 1900 гг.).
Из металлических конструкций выполнены перекрытия Одесского оперного театра - одного из самых больших театров Европы в то время, а также перекрытия многих драматических театров Украины.
Примером оригинальных металлических конструкций рынков является Бессарабский рынок (рис. 1.8) в Киеве (в 1912 г., арх. Г.Ю. Гай). Несущие конструкции рынка - высокие стальные трехшарнирные сквозные арки пролетом 29,5 м, высотой 18 м. Сечение арок пространственное, состоит из четырех веток, соединенных в плоскости арки решеткой из легких уголков, а из плоскости - парными планками. Опорные узлы шарнирные, балансирные.
Рис. 1.8. Крытый рынок в Киеве (1902 – 1912 гг.).
Металлические конструкции широко применяются и в зданиях железнодорожных вокзалов. Дебаркадер Львовского железнодорожного вокзала имеет перекрытие в виде двухпролетных металлических сквозных арочных систем (рис. 1.9).
Рис. 1.9. Дебаркадер Львовского железнодорожного вокзала,
сечение (в 1904 г.).
В первые годы Советской власти главными научными центрами были Всеукраинская Академия Наук и кафедры высших учебных заведений.
Особенно большое значение для решения технических задач строительства имели исследования института строительной механики, организованного в 1919 г. и возглавляемого в разные времена выдающимися учеными С.П. Тимошенко, А.Л. Граве, С.В. Серенсеном, К.К. Симинским. Последний создал капитальный учебник "Курс статики сооружений" (в 1913 г.), а также разработал новые методы расчета пространственных стержневых систем.
Высшее строительное образование в Украине предоставляли Киевский, Одесский политехнические институты и Харьковский технологический институт, а также архитектурный институт. Среди преподавателей инженерного факультета были выдающиеся ученые - Е.О. Патон, Я.В. Столяров, Б.С. Лысин, Н.В. Карнаухов, Н.Д. Жудин, А.Н. Бекетов.
В 1930 г. на базе факультетов технических вузов созданы инженерно-строительные институты в Киеве, Харькове, Днепропетровске, Полтаве, Одессе.
В 1935-1941 гг. значительные исследования в отрасли прочности металлических конструкций выполнены под руководством Н.В. Карнаухова. В середине 30-х годов заведующий кафедрой металлических конструкций КИСИ Н.Д. Жудин, известный ученый в отрасли строительной механики и конструкций, предложил расчет стальных конструкций с учетом развития пластических деформаций.
В послевоенные годы в Украине научное и кадровое обеспечение капитального строительства до 1963 г. осуществлялось Академией строительства и архитектуры Украины, а в следующие годы - научно-исследовательскими институтами Госстроя, высшими и средними специальными учебными заведениями.
Институт строительной механики (а с 1959 г. Институт механики) еще в годы Великой Отечественной войны решал задачи прочности при нестандартных нагрузках относительно оборонной промышленности (Е.О.Патон, Б.Н.Горбунов, С.В. Серенсен, Г.С.Писарь). С середины 40-х годов разрабатывались методы расчета металлических рам из тонкостенных стержней как в пределах, так и вне пределов упругости (Б.Н. Горбунов, Н.Д. Жудин, А.И. Стрельбицкая), а также общая теория расчета на прочность и стойкость стержневых систем (Н.В. Карнаухов).
Зональный научно-исследовательский институт экспериментального проектирования (КиївЗНИИЭП) является базовой организацией стандартизации конструкций и изделий из тяжелого и легкого железобетона, легких стальных конструкций и алюминиевых сплавов для гражданского строительства.
Одним из основных направлений исследований института есть внедрение в проектирование математических методов расчета на ЭВМ, разработка и применение систем автоматизированного проектирования.
Значительному развитию исследований и внедрению строительных материалов и конструкций содействовала деятельность таких институтов, как ИЭС им. Патона АН Украины, УкрНИИпроектстальконструкция, Днепрпроектстальконструкция, НИИСК, КиевЗНИИЭП, а также кафедр металлических, железобетонных и строительных конструкций ведущих строительных вузов и факультетов.
В КИСИ выполнены исследования и разработки новых конструктивных форм металлических конструкций, в том числе из высокопрочных сталей и тонкостенных оболочек (М.М. Жербин), а также легких стальных конструкций, созданна теория оптимизации вантовых систем (В.В. Трофимович, В.О. Пермяков, В.О. Владимирский), сквозных и навесных систем (В.М. Шимановский).
Повышению технологичности металлоконструкций посвящены труды М.М. Сахновского (Днепропетровский ИЗТ), экономике и оптимальному проектированию - Я.М. Лихтарникова, Д.В. Ладыженского (МакИСИ).
Значительные исследования поведения металлических конструкций при динамических нагрузках выполнены Казакевичем М.И. и Кулябко В.В. В Одессе рассмотрены вопросы проектирования конструкций с учетом ограниченных пластических деформаций (Чернов Н.Л.) и металлодеревянных конструкций (Стоянов В.В.), исследование и внедрение электросетевого строительства происходит в Харькове.
Проводятся исследование и разработка конструкций из малоуглеродистых термоупрочненных сталей, предложенная теория надежности стальных резервуаров (А.В. Сильвестров, ДИСИ), разрабатываются и совершенствуются методы повышения надежности и долговечности стальных конструкций (Є.В. Горохов, В.П. Королев, В.П. Мущанов ДонНАСА) и другие.
Разработке нового направления конструкций сталебетонов с внешним ленточным армированием и их внедрению в строительство посвящен многолетний труд Ф.Е. Клименка (государственный университет "Львовская политехника").
Многогранные исследования трубобетонных конструкций, выполненные Л. И. Стороженко, получили признание и применение в строительстве (ИСИ, Полтава).
Современный уровень строительной науки и техники в Украине - результат творческого труда ученых, инженеров, архитекторов в содружестве со специалистами других стран.
Благодаря усилиям ученых, проектантов и строителей Украина превратилась в государство с высоким промышленным потенциалом. Это угольные шахты Донбасса, горно-обогатительные комбинаты Криворожья, металлургические заводы-великаны Запорожья и Приазовья, машиностроительные заводы Харькова, Днепропетровска, Львова, Донбасса, химические предприятия.
Построены тепловые, атомные и гидроэлектростанции, транспортные сооружения, в том числе целый ряд больших металлических и железобетонных мостов через Днепр, метрополитены в Киеве и Харькове.
В отрасли градостроения и архитектуры построены большие здания - дворцы культуры, театры, гостиницы, музейно-мемориальные комплексы, сооружения спортивного назначения, построены высотные дома административного назначения. В жилищном строительстве, кроме домов массовой застройки, сооружались дома с увеличенным количеством этажей и улучшенным планированием.
Украина за своим экономическим, трудовым и производственным потенциалом, а также за научными разработками занимает одно из ведущих мест.