Материалы МК. Виды строительных сталей. Выбор марки стали.

Металлические конструкции

Материалы МК. Виды строительных сталей. Выбор марки стали.

Для МК используется в основном прокатная сталь и алюминиевые сплавы. В опорных частях тяжелых конструкций при действии больших сжимающих усилий применяются отливки из углеродистой стали и серого чугуна. Для висячих и предварительно напряженных конструкций используются тросы и пучки из высокопрочной проволоки стержней из арматурной стали.

Сталь –это сплав железа (феррита) с углеродом, содержащий легирующие добавки и примеси. Обладает почти идеальным комплексом св-в для использования в строительных конструкциях: сочетание прочности и пластичности, хорошая свариваемость, однородность механических свойств. Недостатки: низкая коррозийная стойкость, снижение пластических св-в при низких темпер-ах.

Качество стали, применяемой при изготовлении МК, опред-ся:

1) механическими свойствами: сопротивлением статическим воздействиям (временным сопротивлением и пределом текучести при растяжении); сопротивлением динамическим воздействиям и хрупкому разрушению (ударной вязкостью при различных температурах); показателями пластичности (относительным удлинением); сопротивлением расслоению (изгибом в холодном состоянии). Значения этих показателей устанавливаются гос. стандартами.

2) Кроме того, качество стали определяется сопротивлением многократному нагружению (усталостью);

3) свариваемостью, которая гарантируется соответствующим хим-ким составом стали и технологией ее производ-ва;

4) коррозионной стойкостью.

Виды стали:

1. сталь толстолистовая: толщина=4-160мм, ширина=0, 6-3, 8м, длина=6-12м. Используется в листовых конструкциях и в элементах сплошных систем (балках, колоннах, рамах).

2. сталь тонколистовая: толщина до 4мм. Использ-ся в изготовлении гнутых профилей, для кровельных покрытий.

3. сталь широкополосная универсальная: толщина = 6-60мм, ширина =0, 2-1, 5м, длина = 5-12м.

4. полосовая сталь: ширина = до 200мм. Использ-ся для диафрагм, ребер жёсткости.

5. рифлёная сталь: толщина = 2, 5-8мм.

6. просечно-вытяжная сталь: толщина = 4, 5-6мм.

Классификация стали:

1. По способу выкладки: а) мартеновская; б) конверторная; в) электросталь.

2. По хим. составу: а) углеродистые(железо и углерод с добавкой кремния и марганца);

б) легированные.

3. По прочности (по мех-м св-в): а) сталь обычной прочности – R_y< 290 МПа;

б) повышенной прочности - R_y=290-400 МПа; в) высокопрочная сталь - R_y> 400 МПа.

Механические свойства стали и ее свариваемость зависят от хим. состава, вида термической обработки и технологии прокатки.

4. По степени раскисления стали могут быть:

1) Кипящими.Нераскисленные стали кипят при разливке в изложницы вследствие выделения газов: такая сталь носит название кипящей и оказывается более засоренной газами и менее однородной. Механические св-ва несколько изменяются по длине слитка ввиду неравномерного распределения химических элементов.

2) Спокойными. Раскисленные стали не кипят при разливке в изложницы, поэтому их наз. спокойными. От головной части слитка спокойной стали отрезают часть, составляющую примерно 15%. Спокойная сталь более однородна, лучше свариваются, лучше сопротивляются динамичным воздействиям и хрупкому разрушению. Спокойные стали применяются при изготовлении ответственных конструкций, подвергающихся статическим и динамическим воздействиям.

3) Полуспокойными. Полуспокойная сталь по качеству является промежуточной между кипящей и спокойной. Она раскисляется меньшим количеством кремния— в размере 0, 05—0, 15% (редко алюминием).

Марку стали выбирают на основе вариантного проектирования и технико-экономического анализа с учетом СНиП П-23-81. Выбор марки стали для строительных конструкций зависит от следующих параметров, влияющих на работу мат-ла: 1)температуры среды, в которой монтируется и эксплуатируется конструкция; этот фактор учитывает повышенную опасность хрупкого разрушения при пониженных температурах; 2)характера нагруженности, определяющего особенность работы материала и конструкций при динамической, вибрационной и переменной нагрузках; 3)вида напряженного состояния (одноосное сжатие или растяжение, плоское или объемное напряженное состояние) и уровня возникающих напряжений (сильно или слабо нагруженные элементы); 4)способа соединения элементов, определенного уровень собственных напряжений, степень концентрации напряжений и св-ва материала в зоне соединения; 5)толщины проката, примененного в элементах. Этот фактор учитывает изменение св-в стали с увеличением толщины.

Также необходимо учитывать группу конструкций.

В зависимости от условий работы материала все виды конструкций разделены на четыре группы в соответствии со СНиП П-23-81:

К 1гр. отнесены сварные конструкции, работающие в особо тяжелых условиях или подвергающиеся непосредственному воздействию динамических, вибрационных или подвижных нагрузок (подкрановые балки, балки рабочих площадок или элементы эстакад, непосредственно воспринимающих нагрузку от подвижных составов и т.д.).

Ко 2гр. относятся сварные конструкции, работающие на статическую нагрузку при воздействии одноосного и однозначного двухосного поля растягивающих напряжений (фермы, ригели рам, балки перекрытий и покрытий и другие растянутые, растянуто-изгибаемые и изгибаемые элементы), а также конструкции 1 гр. при отсутствии сварных соединений.

К 3гр. отнесены сварные конструкции, работающие при преимущественном воздействии сжимающих напряжений (колонны, стойки, опоры под оборудование и др. сжатые и сжато-изгибаемые элементы), а также конструкции 2гр. при отсутствии сварных соединений.

В 4гр. включены вспомогательные конструкции и элементы (связи, элементы фахверка, лестницы, ограждения и т.п.), а также конструкции 3гр. при отсутствии сварных соединений.

Расчетные и нормативные сопротивления стали.

Основной расчетной характеристикой стали явл. расчетное сопротивление, определенное делением нормативного сопротивления на коэф-т надежности по материалу.

R_у=R_у_n/g_m – расчетное сопротивление стали растяжению, сжатию, изгибу по пределу текучести.

R_u= R_un/g_m - расчетное сопротивление стали растяжению, сжатию, изгибу по временному сопротивлению.

R_s = 0, 58R_yn/g_m - расчетное сопротивление стали срезу.

Нагрузки и воздействия, классификация и общая характеристика. Сочетания нагрузок.

В соответствии со СНиП 2.01.07-85^* «Нагрузки и воздействия», нагрузки по природе возникновения делятся на 4 группы:

1. технологические – от веса людей в жилых и общественных зданий, оборудования и кранов в промышленных зданиях;

2. атмосферные – от снега, ветра, изменений температуры;

3. собственный вес несущих и ограждающих конструкций;

4. сейсмические, взрывные воздействия, просадка грунтов.

По времени действия нагрузки делят на:

- постоянные – собственный вес, давление грунтов, предварительное напряжение;

- временные длительные – на перекрытиях складов, библиотек, вес оборудования, жидкостей;

- кратковременные – от веса людей, кранов, снеговые, ветровые нагрузки;

- особые – сейсмические, аварийные, просадка оснований.

Полезная нагрузка – нагрузка, являющаяся усилием функционального использования конструкции.

Нормативные нагрузки – нагрузки, отвечающие нормальным условиям эксплуатации.

Расчетные нагрузки – нагрузки, отвечающие предельным значениям, появление которых возможно в результате влияния достаточно редких явлений.

Сочетания нагрузок. Как правило на сооружение действует не одна, а несколько нагрузок. При расчете конструкций необходимо выбрать наиболее неблагоприятное их сочетание, позволяющее получить в котором элементе максимальное из возможных усилие. В нормах на проектирование установлены 2 категории расчетных сочетаний нагрузок: основные сочетания–состоят из постоянных, длительных и кратковременных нагрузок; особые сочетания - состоят из постоянных, длительных и кратковременных нагрузок, а также одну из особых нагрузок.

Стыки прокатных балок

а — встык; 6 — встык с накладками; в — только накладками

Заводские стыки поясов и стенки составных сварных балок осуществляют соединением листов до сборки их в балку. В последнее время монтажные стыки сварных балок, чтобы избежать сварки при монтаже, иногда выполняют на высокопрочных болтах. Сопряжение балок со стальными колоннами осуществляется путем их опирания сверху или примыканием сбоку к колонне. Такое соединение может быть или шарнирным, передающим только опорную реакцию ' балки, или жестким, передающим на колонну кроме опорной реакции еще и момент защемления балки в колонне.

Опирание балок на стены и железобетонные подкладки. При опирании балок на каменные стены и железобетонные подкладки обычно применяют специальные стальные опорные части, которые служат для равномерного распределения давления балки на большую площадь менее прочного, чем балка, материала опоры (камень, железобетон). Кроме того, опорные части должны обеспечить свободу деформации концов балки —поворот при прогибе балки, продольное смещение температурных и силовых деформаций, в противном случае в опоре возникнут нежелательные дополнительные напряжения. В соответствии с этими требованиями применяют неподвижные и подвижные опорные части следующих

Опорные части изготовляют из литой или толстолистовой стали. Площадь опирания плоских и тангенциальных опорных плит должна быть достаточной для передачи опорного давления балки на кладку стены или на бетон

Сопряжения балок. Сопряжения главных и второстепенных балок между собой бывают: этажные, в одном уровне верхних поясов и с пониженным расположением верхних поясов второстепенных балок

Этажное сопряжение является простейшим, но оно из-за возможного отгиба пояса главной балки может передавать лишь небольшие опорные реакции. Это сопряжение можно усилить, поставив под вспомогательной балкой ребро жесткости и пригнав его верхний торец к верхнему поясу главной балки для предотвращения отгиба.

Сопряжения в одном уровне и пониженное сопряжение способны передавать большие опорные реакции. Неудобство сопряжения в одном уровне — необходимость выреза верхней полки и части стенки вспомогательной балки. Этот вырез ослабляет ее сечение и увеличивает трудоемкость сопряжения; Избежать этих неудобств можно, приварив на заводе к торцу вспомогательной балки коротыш из уголка, и уже его сопрягать на монтаже болтами или сваркой с ребром жесткости главной балки.

Рис. 3.16. Центрально-сжатый стержень

a — сближение концов сжатого стержня при потере устойчивости; б — зависимость между нагрузкой и прогибом: в — распределение напряжений при потере устойчивости; г — диаграмма работы материала;

При средних и малых гибкостях стержня - потеря его

устойчивости происходит в упругопластической стадии работы материала при σ _пц< σ _о< σ _т. Пока стержень сохраняет прямолинейную форму, напряжения распределяются равномерно по сечению (рис. 3.16.6). При отклонении стержня от прямолинейного состояния на эти напряжения накладываются напряжения изгиба. Со стороны дополнительного сжатия от изгиба материал работает в упругопластической стадии (рис. 3.16, г), со стороны растягивающих напряжений от изгиба материал работает упруго (разгрузка происходит по закону Гука).

Таким образом, часть сечения 1)работает в упругой стадии с модулем деформаций Е, часть сечения 2)— в упругопластической стадии с модулем деформации E_t—dσ /dε .

Эпюра приращений внутренних напряжений Δ σ _i является самоуравновешенной. Поскольку E> E_t, нейтральная ось изгиба смещается в сторону растягивающих напряжений, и внешний момент получает приращение Δ M_e=Ne'. Приращение момента внутреннних напряжений от изгиба

В критическом состоянии приращение момента внешних сил равно приращению момента внутренних напряжений. Из этого условия можно определить величину критической силы при работе материала в упруго-пластической стадии.

Формулу Эйлера можно расширить и на этот случай работы стержня, если принять вместо постоянного модуля упругости Е переменный приведенный модуль

T= (EI₁+E^оср_плI₂)/I

где I₁ — момент инерции упругой части сечения 1; I₂— момент инерции упругопластической части сечения 2; I — общий момент инерции.

Тогда σ _кр= π ²T/λ ²

Изложенный подход (с учетом разгрузки)' позволяет решить задачу об устойчивости центрально сжатого стержня при постоянной нагрузке (Δ N=0) и дает верхнюю оценку критической силы.

В условиях возрастания нагрузки (Δ N> 0) разгрузки сечения по упругому закону не происходит, все сечение работает в упругопластической стадии с переменным модулем деформаций E_t и критические напряжения можно определить по формуле

σ _кр= π ²E_t/λ ²

Получаемая при этом критическая сила соответствует наименьшему ее значению.