Раздел 2 Металлические конструкции

Тема 2.1 Общие сведения о металлических конструкциях

Для изготовления металлических конструкций используются, преимущественно, стали и, в редких случаях, алюминиевые сплавы.

Сталь – сплав железа с углеродом.

По содержанию углерода сталь делят на:

- малоуглеродистые (содержание углерода ≤0,25% по массе);

- среднеуглеродистые (0,25 – 0,6%);

- высокоуглеродистые (>0,6%).

Наиболее широкое распространение в строительстве используются малоуглеродистые стали – они пластичны и хорошо свариваются.

Иногда в состав сталей, для улучшения физико-механических свойств, вводят различные химические элементы. Такие стали называются легированными, при этом различают низколегированные стали (содержание легирующих добавок до 2,5%), среднелегированные (до 5%) и высоколегированные (более 5%).

Углеродистые и легированные стали классифицируются по маркам:

Углеродистые Ст0, Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5, Ст6, где Ст – сталь, а цифра - порядковый номер, чем выше порядковый номер, тем больше углерода содержится в стали.

Для изготовления строительных конструкций используют, в основном, сталь класса Ст3.

Легированные стали 09Г2С, 15ХСНД – где первые цифры обозначают содержание углерода в сотых долях процента (0,09% и 0,15%); буквами обозначаются легирующие добавки: Г – марганец, С – кремний, Х – хром, М – медь, Ф – ванадий, М – молибден, Р – бор, А – азот. Цифры после букв – процентное этого элемента, если цифры нет, то содержание этого элемента менее 1%.

Стали классифицируются по классам прочности С235, С245, С255, С275, С285. Для легированных сталей С345, С345К, С375, С390, С590, С590К. С – сталь, а также принадлежность стали к строительству, цифры – указание номинального значения предела текучести, К – указывает на модификацию стали по химическому составу.

Различают три вида стали: кипящая, спокойная, полуспокойная. Это разделение происходит из-за того, что при разливе стали из неё выходит газ, в основном кислород, т.е. сталь «кипит». При затвердевании пузырьки газа остаются в металле и ухудшают её свойства. Такая сталь называется кипящей и обозначается «кп».

Для предотвращения кипения и для улучшения свойств стали в неё добавляют раскислители (как правило, кремний и алюминий).

Полученная сталь называется спокойной «сп» и она является более однородной и мелкозернистой и лучше сопротивляется динамическим нагрузкам и хрупкому разрушению.

Спокойные и полуспокойные стали на 10-15% дороже кипящей. Полуспокойная сталь получается путем добавления в состав меньшего количества окислителей.

Полуспокойная сталь занимает промежуточное значение по механическим свойствам и стойкости между спокойными и кипящими сталями.

Пример маркировки малоуглеродистой стали:

ВСт3пс6-1

В – группа поставки стали, гарантирующая механические свойства и химический состав (А – только механические свойства, Б – только химический состав).

6 – означает категорию требований к ударной вязкости;

1 – группа прочности.

Механические свойства стали

Важнейшими механическими свойствами металлов являются: прочность, упругость, пластичность, хрупкость и выносливость.

Прочность характеризуется пределом прочности σ_в и пределом текучести σ_т.

Рисунок 34 – Диаграмма растяжения стали

Упругость характеризуется пределом пропорциональности σ_пц или пределом упругости σ_упр и модулем упругости Е=2,06∙10⁵ МПа.

Пластичность характеризуется относительным удлинением образца при его разрыве:

(117)

где и - длины образцов до и после разрыва.

Кроме этого, для определения пластичности делают пробу на загиб в холодном состоянии вокруг специальной оправки. Указанная проба считается успешной, если образец в результате загиба не получил трещин и расслоений.

Хрупкость характеризуется ударной вязкостью, т.е. работой, которая затрачивается для разрушения специального образца.

Выносливость – характеризуется пределом выносливости – это наибольшее напряжение, которое выдерживает материал при 2∙10⁶ циклах повторяющейся нагрузки.

Выбор стали, для металлических конструкций осуществляется, в зависимости от вида нагрузки, температурных условий эксплуатации, вида соединения, а также в зависимости от степени ответственности конструкции.

В соответствии с этим все конструкции их элементы делятся на 4 группы - таблица 50* СНиП II-23-81 «Стальные конструкции».

Алюминиевые сплавы

В строительных конструкциях чистый алюминий не применяется из-за низкой прочности и высокой пластичности (деформативности).

Для улучшения механических свойств алюминий легируют с помощью магния, марганца, меди, цинка и кремния. Легирование элемента составляет 2 – 10% от общей массы сплава.

Алюминиевые сплавы поставляются механически и термически обработанными. Все сплавы алюминия, используемые для строительных конструкций, поставляются с гарантией по химическому составу и механическим свойствам.

Некоторые алюминиевые сплавы по сравнению со стальными имеют рад преимуществ:

- меньшая масса;

- коррозийная стойкость;

- возможность изготовления профилей более рациональной формы в связи с возможностью использования метода прессования.

- возможность сохранения механических свойств при отрицательных температурах;

- отсутствие искрообразования;

- лучший внешний вид.

Недостатки алюминиевых сплавов:

- меньший модуль упругости Е;

- большой коэффициент линейного расширения;

- более сложная технология сварки сплавов;

- возможность разупрочнения некоторых сплавов при сварке;

- высокая стоимость сплавов.

Сортамент листовой и профильной стали

Сортаментом называется перечень профилей, с указанием их формы, размеров, геометрических характеристик и массы.

Рисунок 35 – Профили проката.

а – е, у, ф – прокатные;

ж-м – гнутые;

н-т – прессованные.

Сортамент включает в себя листовой прокат, профили в виде уголков, швеллеров, двутавров, тавров, круглых и прямоугольных труб, а также различные усложненные профили.

При этом уголки и швеллеры могут быть прокатными и холоднотянутыми.

В обозначении гнутых профилей присутствует индекс «гн».

Листовой прокат включает сталь тонколистовую 0,2 – 4мм и толстолистовую 4 – 100м.

Сортамент уголковых профилей включает в себя уголки равно- и неравнополочные.

Сортамент двутавров состоит из двутавров с уклоном внутрь грани полок и с параллельными гранями полок. Они также делятся на нормальные (индекс Б), широкополочные (Ш), колонные (К), колонные уширенные (КУ).

Сортамент также содержит трубчатые профили, сталь квадратную и круглую, крановые и железнодорожные рельсы, профили оконных и фонарных переплетов.

К наиболее эффективным профилям можно отнести двутавровые с параллельными поясами, гнутые профили, имеющие тонкую стенку, что дает экономию металла до 10%.

Также эффективны трубчатые профили для изготовления строительных элементов, так как они являются равноустойчивыми относительно обеих осей.