Металлические конструкции и испытания сооружений МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ Строительные стали к.т.н., доцент Астахов Иван Витальевич +7-921-355-77-10 metal@spbgasu.ru vk.com/mkspbgasu Общие сведения о строительных сталях Сталь – сплав железа с углеродом, содержащий вредные примеси и легирующие добавки Железо обеспечивает высокую пластичность, а углерод (при содержании до 0,22%) – прочность. Феррит – основа стали - малопрочен (25 кг/мм2) и (способен удлиняться при растяжении на 50%), химически почти чистое железо, содержащее очень малую долю углерода – обеспечивает пластичность стали Цементит (сплав железа с углеродом Fe3C)- прочен 100 кг/мм2), хрупок, ухудшает свариваемость стали Перлит – (смесь феррита и цементита) обладает промежуточными свойствами Регулирование свойств стали Термообработка после выплавки Термическое улучшение включает две операции: •закалка – нагрев до 890÷950*С и быстрое охлаждение в воде •отпуск – нагрев и выдержка при температуре 550÷700*С Улучшается микроструктура стали, повышается прочность и хладостойкость Легирование (улучшение) при выплавке добавление различных элементов Нормализация – повторный нагрев до 890÷950*С и медленное охлаждение (на воздухе) Улучшается микроструктура стали, повышается вязкость и пластичность Требуемые свойства строительных сталей Прочность – сопротивляемость внешним силовым воздействиям без разрушения Упругость – способность восстанавливать первоначальную форму после снятия внешних нагрузок Пластичность – свойство не возвращаться в первоначальное состояние после снятия нагрузки, т.е. получать остаточные деформации без разрушения Хрупкость – свойство материала внезапно разрушаться без остаточных деформаций Ударная вязкость – способность поглощать энергию удара без разрушения Требуемые Механические свойства Высокая прочность Достаточная пластичность Стойкость к хрупкому разрушению Требуемые Технологические свойства Свариваемость Обрабатываемость (гибка, резка, строжка, сверление) Требуемые Эксплуатационные свойства Коррозионная стойкость Отсутствие склонности к старению Способы производства стали - в Мартеновских печах (Пьер Мартен в 1864 г - применялся до 1960 г.) Кислородно-конверторный способ с 1960 г Электросталеплавильный способ Разливка стали в изложницы Непрерывное литье заготовок Классификация сталей по степени раскисления При разливке стали в изложницы (формы для заготовок) продолжается процесс кипения стали до затвердения слитка (остывание с температуры 15230С) и в верхней части образуется множество газообразных пузырьков, как следствие, сталь оказывается неоднородной (менее качественной) Способы повышения качества стали: • удалить верхнюю часть слитка - до 15% • выполнить раскисление стали - добавить в сталь элементы (кремний или алюминий) в количестве 0,05÷0,5%, которые повысят температуру кипения Раскислитель (Si, Al), % Срезаемая часть слитка, % - 5 Полуспокойная (пс) 0,05…0,15 8 Спокойная (сп) 0,12…0,50 15 Кипящая (кп) Хрупкое разрушение стали при отрицательных температурах Хрупкое разрушение стали при отрицательных температурах Особенности производства стали Повышение прочности и улучшение других свойств сталей достигается их легированием (нем. legieren – сплавлять, от лат. ligo – связываю, соединяю) - добавлением при выплавке следующих химических элементов Кремний, Si = С Марганец, Mn = Г Aлюминий, Al Хром, Cr = Х Никель, Ni = Н Медь, Cu = Д Ванадий, V = Ф <0,8% <1,7% <0,15% <0,9% <0,9% <0,7% <0,12% Эти элементы могут в различной степени улучшить свойства стали: увеличить прочность, стойкость против коррозии и пр., но в большом количестве могут ухудшить свариваемость стали, поэтому их содержание ограничивается. Вредные примеси присутствуют изначально (сера, фосфор) и (или) образуются в процессе выплавки (кислород, водород, азот) Сера (S) не более 0,04% - способствует образованию трещин при температурах 800…1000° С (красноломкость) Классификация сталей по химическому составу Углеродистые (отсутствуют л. добавки) Легированные (1, 2, 3 и более л. элементов): • малоуглеродистые (до 0,22%) • низколегированные (2-3% по массе) • среднеуглеродистые (0,3÷0,6%) • высокоуглеродистые (более 0,6%) Свариваемость стали оценивают по углеродному эквиваленту Если Сэ 0,4, то сварка стали не вызывает затруднений Фосфор (P) не более 0,04% повышает хрупкость стали при пониженных температурах (хладноломкость) • высоколегированные (до 10% по массе) Сэ = C + Mn Si Cr Ni Cu V P + + + + + + ,% 6 24 5 40 13 14 2 Химический состав строительных сталей Механические свойства строительных сталей Для оценки механических свойств проводятся испытания на: • одноосное растяжение 1. Испытания • ударную вязкость • выносливость 𝑁 ∆𝑙 𝜎= ; 𝜀 = 100% 𝐴 𝑙 на растяжение стандартных образцов 𝜎 – нормальное напряжение N – растягивающее усилие А – площадь поперечного сечения 𝜀 – относительная деформация (удлинение) l – первоначальная длина ∆𝑙 – абсолютное удлинение Предел пропорциональности (p = proportionality) р – наибольшее напряжение, при котором пропорциональны напряжениям (нагрузке) деформации Площадка текучести Стадия самоупрочнения Предел упругости (е = elastic -упругость) е – наибольшее напряжение, при котором деформации исчезают Разрыв образца после снятия нагрузки Физический предел текучести (y = yeld - текучесть) y – напряжение, при котором происходит рост пластических деформаций без увеличения внешней нагрузки Условный предел текучести 0,2 – напряжение, при достижении которого и последующей разгрузке остаточные деформации составляют 0,2% Временное сопротивление (u = ultimate - предельный) u – напряжение, которое соответствует наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца. Пластичность характеризуется относительным остаточным удлинением при разрыве Модуль упругости принимается постоянным для всех марок стали Стадия упругой работы Связь механических свойств с расчетными характеристиками стали За нормативное сопротивление стали Ryn принимается значение предела текучести Ryn =y Основной расчетной характеристикой стали является расчетное сопротивление стали при растяжении, сжатии и изгибе Ry = Ryn /m Коэффициент надежности по материалу 𝛾𝑚 : • для всех сталей по ГОСТ 27772-2015, кроме С590 и С590К - 𝜸𝒎 = 𝟏, 𝟎𝟐𝟓 • для сталей С590 и С590К - 𝛾𝑚 = 1,05 Влияние горячей прокатки на прочность стали Разогретые слитки многократно пропускаются между двумя валками, вращающимися навстречу друг другу, при этом металл пластически деформируется и приобретает заданную форму (лист, рельс, двутавр и т.д.). Прокатка – один из видов горячей обработки металлов давлением и производится на прокатных станах. Чем тоньше прокат, тем больше степень упрочнения. С уменьшением толщины прочностные характеристики горячего проката выше. Испытания на растяжение стандартных образцов статической нагрузкой не позволяют оценить склонность стали к хрупкому разрушению. Для оценки необходимы испытания динамической нагрузкой образца с «искусственным дефектом» при различных температурах. 2. Ударная вязкость – способность стали или стального элемента поглощать энергию удара без разрушения. Показатель ударной вязкости - работа, затраченная на хрупкое разрушение образца, отнесенная к единице площади сечения нетто [Дж/см2]. Объект испытаний - образцы с различными типами надрезов: «U» – Менаже; «V» – Шарпи; «Т» – с трещиной. Ударная вязкость является комплексным показателем, характеризующим • состояние стали (хрупкое или вязкое) • чувствительность стали к концентрации напряжений • сопротивление стали динамическим воздействиям • склонность стали к хрупкому разрушению при пониженных температурах • склонность стали к старению ПС, СП КП НЛ Предел хладноломкости Работа Ан, затраченная на разрушение образца, Aн = G (h1 – h2 ) G - вес маятника КСU (КСV) = Ан/Fo Ан – работа, затраченная на разрушение образца, кгс м F0 – площадь поперечного сечения образца в месте надреза, см2 Классификация сталей по способу поставки (гарантии завода) Разделяют три группы гарантий качества стали: • Группа А – сталь поставляется с гарантией механических свойств • Группа Б – сталь поставляется с гарантией химического состава • Группа В – сталь поставляется с гарантией и механических свойств и химического состава Для большинства строительных конструкций важны и механические характеристики и химический состав, поэтому сталь поставляется по группе В. Категории стали ударной вязкости Маркировка сталей по ГОСТ 27772-2015 (в названии указывается тип стали и сопротивление по пределу текучести, МПа) Сталь строительная С 245 С 345Д Ryn для наименьшей толщины (с округлением до 5 МПа) Сталь повышенной коррозионной стойкости (с добавкой меди- Д) Маркировка сталей по ГОСТ 380-88* (в названии в названии марки стали: группа поставки, содержание углерода, степень раскисления и категория по ударной вязкости) Группа поставки Вст3пс6 ст3 - содержат 0,14-0,22% углерода Категория стали (1…6), указывает вид испытаний на ударную вязкость Степень раскисления стали: сп, пс, кп Маркировка сталей по ГОСТ 19281-2014 "Сталь низколегированная сортовая и фасонная" Содержание углерода 0,09% 09Г2С кремний до 1% марганец до 2% Стали, поставляемые по разным стандартам, взаимозаменяемы Выбор сталей для строительных конструкций [СП СК, Приложение В] 1 Этап. Подбор марки стали и определение расчетного сопротивления Ry Таблица В.3 Лист, сорт, труба Таблица В.4 Двутавры с !! гранями полок Учет толщины проката Учет норм на сталь В.5 Фасонный прокат Основная расчетная характеристика В числителе представлены значения расчетных сопротивлений проката, поставляемого по ГОСТ 27772 (кроме стали С590К) или другой нормативной документации, в которой используется процедура контроля свойств проката по ГОСТ 27772 (γт = 1,025), в знаменателе – расчетное сопротивление остального проката при γт = 1,050 Этап 2. Учет требований [СП СК, табл. В.1] по ударной вязкости проката (KCV) Группы стальных конструкций Для учета вида, условий работы и способа соединений, конструкции разделены на четыре группы по степени уменьшения ответственности № Группы Конструктивные особенности и условия эксплуатации Примеры конструкций 1 группа Сварные конструкции либо их элементы, работающие в особо тяжелых условиях (согласно ГОСТ 25546), в том числе максимально стесняющие развитие пластических деформаций или подвергающиеся непосредственному воздействию динамических, вибрационных или подвижных нагрузок • подкрановые балки; балки рабочих площадок; балки путей подвижного транспорта; • элементы конструкций бункерных и разгрузочных эстакад, непосредственно воспринимающих нагрузки от подвижных составов; • главные балки и ригели рам при динамической нагрузке; • сварные специальные опоры больших переходов линий электропередачи (ВЛ) высотой более 60 м; Сварные конструкции либо их элементы, работающие при статической нагрузке при наличии растягивающих напряжений фермы; ригели рам; балки перекрытий и покрытий; косоуры лестниц; оболочки силосов; опоры ВЛ, за исключением сварных опор больших переходов; опоры ошиновки открытых распределительных устройств подстанций (ОРУ); опоры транспортерных галерей; прожекторные мачты; элементы комбинированных опор антенных сооружений (АС) и другие растянутые, растянуто-изгибаемые и изгибаемые элементы Сварные конструкции либо их элементы, работающие при статической нагрузке, преимущественно на сжатие колонны; стойки; опорные плиты; элементы настила перекрытий; конструкции, поддерживающие технологическое оборудование; вертикальные связи по колоннам с напряжениями в расчетных сечениях связей свыше 0,4Ry; анкерные, несущие и фиксирующие конструкции (опоры, ригели жестких поперечин, фиксаторы Вспомогательные конструкции зданий и сооружений Связи, кроме указанных в группе 3; элементы фахверка; лестницы; тралы; площадки; ограждения; металлоконструкции кабельных каналов; вспомогательные элементы сооружений 2 группа 3 группа 4 группа Учет влияния температуры в районе строительства По СП 16.13330.2011 По СП 16.13330.2017 Значение показателя ударной вязкости KCV при температуре испытаний на ударный изгиб ….. +20°С; 0°С; -20°С; -40°С; -60°С….. должно быть не менее 34 (40) Дж/см2. ГОСТ 27772-2015 ГОСТ 19281-2014 Этап 2. Определение требуемой категории выбранной марки стали
