Строительные стали: общая характеристика, химический состав и особенности структуры.

Строительные стали: общая характеристика, химический состав и особенности структуры.

Строительная сталь предназначается для изготовления строительных конструкций — мостов, газо- и нефтепроводов, ферм, котлов и т. д. Все строительные конструкции, как правило, являются сварными, и свариваемость — одно из основных свойств строительной стали.

Конструкционные низколегированные стали в горячекатаном или нормализованном состоянии применяют для строительных конструкций, армирования железобетона, магистральных нефте- и газопроводов. Для изготовления деталей машин их применяют сравнительно редко.

Эта группа сталей содержит относительно малые количества углерода 0, 1—0, 25 %. Повышение прочности достигается легированием обычно дешевыми элементами — марганцем и кремнием.

Химические свойства:

окисляемость — способность вещества соединяться с кислородом. Окисляемость усиливается с повышением температуры металла. Низкоуглеродистые стали под действием влажного воздуха или воды окисляются с образованием ржавчины — оксидов железа;

коррозионная стойкость — способность металла не окисляться и не вступать в химические реакции с окружающими веществами;

жаростойкость — способность стали не окисляться при высокой температуре и не образовывать окалины;

жаропрочность — способность стали сохранять свои прочностные свойства при высокой температуре.

СТРУКТУРА

Помимо простых зерен железа феррита и зерен цементита в структуре стали имеются еще комбинированные (сложные) зерна, представляющие собой зерна феррита, внутри которых в виде длинных узких пластинок находятся маленькие зернышки цементита. Такие сложные комбинированные зерна называются зернами перлита. Чем меньше зёрна, тем выше качество стали. Структура низколегированной стали аналогична малоуглеродистой стали. Введение добавок упрочняет ферритовую основу и прослойки между зёрнами. Углерода в стали должно быть не более 0, 22 %.

2. Строительные стали: механические свойства.

По механическим свойствам стали делятся на три группы:

- обычной прочности (малоуглеродистые с пределом текучести

sт = 230 МПа; и пределом прочности sв = 380 МПа);

- повышенной прочности (при sт = 290 ¸ 400 МПа, sв = 440 ¸ 520 МПа);

- и высокой прочности (низколегированные и термически упрочнённые стали, у которых sт = 450 ¸ 750 МПа и более, sв = 600 ¸ 850 МПа и более).

Основные механические свойства:

- нормативное сопротивление статическому воздействию, времен-

ному сопротивлению sв (Rип) и пределу текучести sт (s0, 2 или Rуп) при растяжении, сжатии, изгибе.

- сопротивление динамическим воздействиям и хрупкому разрушению (ударная вязкость при различных температурах);

- показатель пластичности, характеризуемый относительным удлинением;

- сопротивление расслоению (загиб в холодном состоянии, определяемый углом загиба)

Строительные стали: влияние химического состава на свойства сталей.

В состав стали кроме железа и углерода входят и другие химические элементы, которые содержатся в ней в малых количествах из-за несовершенства технологии производства либо специально вводятся в нее для придания особых свойств. В последнем случае эти элементы называются легирующими. Все элементы в стали условно подразделяются на полезные и вредные.

Полезные элементы:

углерод — определяет прочность, вязкость и закаливаемость стали. Содержание углерода до 0, 25 % не влияет на свариваемость. Увеличение содержания углерода в стали ухудшает ее свариваемость;

кремний — при содержании до 0, 3% повышает пределы текучести и прочности, но ухудшает свариваемость и снижает ударную вязкость стали; при содержании до 0, 6% улучшает упругие свойства стали;

марганец — при содержании до 1, 8% оказывает незначительное влияние на свариваемость стали, но способствует ее закалке; при высоком содержании сварка затруднена, поскольку велика вероятность появления трещин;

хром — при содержании от 0, 3% до 35% повышает твердость и прочность стали, однако снижает ее пластичность и вязкость. При высокой температуре образует карбиды, затрудняющие процесс сварки;

никель — улучшает прочностные и пластические свойства стали; на свариваемость практически не влияет;

молибден — улучшает прочностные характеристики стали, делает ее теплоустойчивой, увеличивает твердость стали и несущую способность конструкций при ударных нагрузках и высоких температурах. Затрудняет сварку, так как активно окисляется и выгорает;

ванадий — повышает вязкость и пластичность стали, улучшает ее структуру, способствует закалке, ухудшает свариваемость;

вольфрам — увеличивает твердость и работоспособность стали при высоких температурах, ухудшает свариваемость;

титан — повышает коррозионную стойкость стали, способствует образованию горячих трещин при сварке;

медь — повышает прочность и коррозионную стойкость стали, не влияет на свариваемость.

Вредные элементы:

сера — придает красноломкость, т.е. большую хрупкость при высоких температурах, оказывает отрицательное влияние на свариваемость;

фосфор — придает хладноломкость — хрупкость при нормальных температурах, отрицательно влияет на свариваемость;

азот — увеличивает хрупкость стали и способствует ее старению;

кислород и водород — ухудшают структуру стали и способствуют повышению ее хрупкости.

Работа сталей при однократном статическом сжатии: диаграмма и стадии работы материала.

Цель расчета металлических конструкций. Краткий обзор развития методов расчета.

После выбор расчетной схемы переходят к расчету сооружения и его конструктивных элементов методами статики сооружений и сопротивления материалов. Назначение расчета -проверка прочности, жесткости и устойчивостивости сооружения по принятой расчетной схеме, позволяющая подобрать размеры поперечных сечений элементов сооружения и обеспечить надежность эксплуатации в сочетании с экономичностью.

Методика расчета строительных конструкций по предельным состояниям. Предельное состояние не является состоянием разрушения конструкций. Оно характеризуется развитием таких напряжений или деформаций, которые препятствуют возведению или дальнейшей эксплуатации, и может наступить раньше разрушения.

Таким образом, предельное состояние является предельным с точки зрения потери ее эксплуатационной способности. Пределом несущей способности конструкции является наивысший предел ее эксплуатационной способности. Расчет металлических конструкций имеет целью не допустить наступления предельных состояний при эксплуатации в течение всего срока службы конструкции или сооружения, а также при их возведении.

Метод расчета по предельным состояниям: группы предельных состояний, их последствия.

Образование шарнира пластичности при изгибе.

Переход материала в упругопластическую стадию. Шарнир пластичности. После исчерпания упругой работы в сплошных изгибаемыхэлементах, выполненных из пластичных сталей, пластические деформациираспространяются в глубь сечения и в предельном состояниипронизывают все сечение, образуя шарнир пластичности.

При развитии пластических деформаций прогибы так же быстро растут, а при образовании шарнира пластичности прогибы растут беспредельно. Эпюра напряжений такого состояния имеет вид двух прямоугольников. Тогда предельный момент внутренних сил определяется из выражения

В упругой стадии Mx = sтWx .

С учётом развития пластических деформаций условие прочности имеет вид

где Wpl = C1 ´ Wx или C1 =Wpl /Wx ; С1 – коэффициент, учитывающий развитие пластических деформаций; Wpl – пластический момент сопротивлений; Wx – упругий момент сопротивлений.

Соединения на обычных болтах: конструирование, особенности работы и расчета соединений на сдвигающие усилия, на растяжение, влияние начального натяжения болтов, проверка прочности соединяемых элементов.

Рис. 1.1. Стыковое соединение (прямой и косой стыки)

Порядок расчета:

1. Условие прочности стыкового шва при физическом контроле

, (1.1)

где с физическим контролем качества шва [1, табл.3, с. 6];

- расчетная длина стыкового шва.

2. По табл. 51, с. 64 [1] находим .

3. Подставив известные данные в условие (1.1), получим

Отсюда видно, что при физическом контроле стыкового соединения условие прочности (1.1) соблюдается.

4. Рассмотрим случай визуального контроля стыкового соединения, показанного на рис. 1.1.

Тогда, согласно [1, табл.3, с. 6]

т.е. . В этом случае прочность прямого стыкового шва недостаточна. Условие прочности (1.1) не выполняется. Необходимо конструирование косого стыка, показанного на рис. 1.1. Прямой стык может воспринять усилие не более

5. Расчет и конструирование косого стыка (рис. 1.1).

Нормальные напряжения в косом стыке определяются по формуле

, (1.2)

Задаемся углом , тогда . Тогда из (1.2) определяется расчетная длина стыкового шва

По рис. 3.1 принят косой шов с расчетной длиной

Проверка косого стыка по касательным напряжениям

Расчет балочных клеток

Пример 2. Требуется запроектировать конструкцию балочной площадки размером 54× 18 м с металлическим настилом и размером ячейки 18× 6 м (главные балки в этом примере не рассматриваются).

Дано: временная нормативная равномерно распределенная по площади нагрузка =20 кН/м, коэффициент надежности по нагрузке = 1, 2. Материал балок - сталь С235, имеющая = 23 кН/см², коэффициент условий работы = 1, предельные прогибы балок [ ]= 1/250. Принимаем балки с учетом упругопластической работы сечения, так как нагрузка статическая. Толщина настила = 10 мм.

Рассмотрим два варианта компоновки балочной площадки: первый - нормальный тип и второй - усложненный тип.

Первый вариант.

При расчете настила (см. пример 1) определено возможное отношение пролета пастила к его толщине ( ) = 108; = 108 см. Пролет главной балки делим на 15 равных промежутков по 120 см (расстояние между балками настила). Фактический пролет настила - расстояние между краями полок соседних балок - будет меньше и не превышает 108 см. Вес настила определяем зная, что 1 м² стального листа толщиной 10 мм весит 78, 5 кг:

= 1, 0·78, 5 =78, 5 кг/м² = 0, 785 кН/м².

Нормативная нагрузка на балку настила (20 + 0, 785)·1, 2 = 24, 94 кН/м = 0, 2494 кН/см.

Расчетная нагрузка на балку настила = (1, 2·20+ 1, 05·0, 785)·1, 2- 29, 79 кН/м.

Расчетный изгибающий момент (пролет балки 6 м) = 29, 79·6²/8 = 134, 04 кН м.

Требуемый момент сопротивления балки определяем, первоначально задаваясь = 1, 1:

= 13 404/ (1, 1·23 1) = 530 см.

Принимаем двутавр № 33 по ГОСТ 8239-89, имеющий ближайший больший

= 597 см³; = = 9840 см⁴; g = 42, 2 кг/м; = 140 мм.

Так как принято > , то прочность проверять не нужно (фактический пролет настила = 120 – 14 = 106 < 108 см). Проверяем прогиб балки по формуле:

= 2, 08 см < 2_т4см = [ /250].

Принятое сечение балки удовлетворяет условиям прочности и прогиба. Проверку касательных напряжений в прокатных балках при отсутствии ослабления опорных сечений обычно не производят из-за относительно большой толщины стенок балок.

Общую устойчивость балок настила проверять не надо, поскольку их сжатые пояса надежно закреплены в горизонтальном направлении приваренным к ним настилом.

Определяем расход металла на 1 м² перекрытия: настил 1, 0·78, 5 = 78, 5 кг/м², балки настила ( ) = 42, 2/1, 2 = 35, 2 кг/м². Всего расход металла составляет 78, 5 + 35, 2 = 113, 7 кг/м².

Второй вариант.

Настил принимаем таким же, как в первом варианте, расстояние между балками настила = 600/6 = 100 см < 108 см. Пролет балки настила = 4, 5 м, нормативная и расчетная нагрузки на нее равны:

= 20, 78 кН/м = 0, 2078 кН/см;

= (1, 2·20 + 1, 05·0, 785)·1, 0 = 24, 82 кН/м.

Расчетный изгибающий момент и требуемый момент сопротивления балки:

= 24, 82·4, 5²/8 = 62, 83 кН·м = 6283кН·см;

= 6283/1, 1·23 = 248, 3 см³.

Принимаем двутавр № 24. где = 289 см³> ; = 3460 см⁴; g = 27, 3 кг/м. Проверяем прогиб балки, так как условие прочности удовлетворено:

1, 56 < 1, 80 см- [ /250].

Принятое сечение удовлетворяет условиям прочности и прогиба.

Нагрузку на вспомогательную балку от балок настила считаем равномерно распределенной, так как число балок настила больше 5. Определяем нормативную и расчетную нагрузку на нее:

= (20 + 0, 785 + 0, 273/1, 000)·4, 5 = 94, 76 кН/м = 0, 95 кН/см;

=[1, 2·20 + 1, 05·(0, 785 + 0, 273/1, 000)]·4, 5 = 113, 0 кН/м.

Определяем расчетный изгибающий момент и требуемый момент сопротивления:

= 113·6²/8 = 508, 5 кН·м = 50850 кН·см;

= 50850/1, 1·23 = 2010 см³.

Принимаем двутавр № 55, где = 55962 см⁴; = 2035 см³, ширину и толщину полки 18см, = 1, 65 см, вес g = 92, 6 кг/м.

Проверяем прогиб балки, так как условие прочности удовлетворено: = 2035 см³> .

1, 39 см < 2, 4 см = [ /250].

Проверяем общую устойчивость вспомогательных балок в сечении с наибольшими нормальными напряжениями - в середине пролета. Их сжатый пояс закреплен от поперечных смещений балками настила, которые вместе с приваренным к ним настилом образуют жесткий диск, и за расчетный пролет следует принимать расстояние между балками настила = 100 см. Условия применения формулы (7.14) < ; 55/18 = 3, 05 < 6 и = 18/1, 65 = 10, 9 < 35; в сечении /2 у нас = 0 и = 1, следовательно, , а

=0, 4.

По формуле (7.14) определяем отношение ( ), при котором можно не проверять устойчивость:

Принятое сечение удовлетворяет требованиям прочности, устойчивости и прогиба. Расход металла составляет 78, 5 + 27, 3/1, 0 + 92, 6/4, 5 = 126, 38 кг/м². По расходу металла первый вариант выгоднее.

Расчет балочных клеток

Пример 3. Требуется подобрать сечение сварной главной балки (см. пример 2, первый вариант компоновки), имеющей прогиб < (1 /400)· . Вес настила и балок настила = 1, 137 кН/м², временная нагрузка = 20 кН/м, = 1. Балку проектируем из стали С275, так как она имеет большой пролет и большую нагрузку. По прил. 5 эта сталь имеет при 11< г < 20 мм = 26 кН/см², = 0, 58·26 = 15 кН/см². Собственный вес балки принимаем ориентировочно равным 1 - 2% нагрузки на нее. Максимально возможная строительная высота перекрытия - 2, 2 м.

Расчетная схема балки дана на рисунке.

Определяем нормативную и расчетную нагрузку на балку:

= 1.02·( )· = 1, 02·(20+ 1, 137)·6 = 129, 5 кН/м;

· = 1, 02·(1, 2·20 + 1, 05·1, 137) 6 = 154, 33 Н/м.

Определяем расчетный изгибающий момент в середине пролета = 154, 33·18²/8 = 6250 кН·м = 625000 кН·см.

Определяем поперечную силу на опоре 154, 33·18/2=1389 кН.

Главную балку рассчитываем как упруго работающую.

Определяем требуемый момент сопротивления балки

= 625000/(26·1) = 24 040 см³.

Определяем высоту сечения балки.

1. Оптимальную высоту балки определяем, предварительно задав условную гибкость стенки 4, 75.

Тогда =113, 7;

= 169, 9 см;

Принимаем = 170 см; = 170/113, 7 = 1, 27 см, принимаем 12 мм.

2. Минимальную высоту определяем по формуле:

= 158, 8 см.

3. Строительную высоту балки определяем исходя из максимально возможной заданной высоты перекрытия и его конструкции:

= 220 – 33 – 1, 0 – 10 = 176, 6 см.

Сравнивая полученные данные, принимаем высоту балки, близкую к оптимальной = 170 см, и толщину поясов балки = 2 см. Проверяем принятую толщину стенки = 170 - 2·2 = 166 см.

Из условия работы стенки на касательные напряжения у опоры:

= 1, 2·1389/166·15 = 0, 67 см, где = 15 кН/см².

Проверка необходимости постановки продольных ребер жесткости:

=1, 05 см.

Сравнивая полученные толщины стенки, видим, что принятая толщина ее 12 мм может быть оставлена без изменений, так как она удовлетворяет условию прочности на действие касательных напряжений и не требует укрепления ее продольным ребром жесткости для обеспечения местной устойчивости. Размеры горизонтальных поясных листов находим исходя из необходимой несущей способности балки. Для этого вычисляем требуемый момент инерции сечения балки = 24 040·(170/2) = 2043400 см⁴.

Находим момент инерции стенки балки =1, 2166³/12 = 457430 см⁴.

Момент инерции, приходящейся на поясные листы:

=2043400 – 457430 = 1585970 см⁴.

Момент инерции поясных листов балки относительно ее нейтральной оси , где - площадь сечения пояса (моментом инерции поясов относительно их собственной оси ввиду его малости пренебрегаем).

Отсюда получаем требуемую площадь сечения поясов балки:

= 2·1585970/168² = 112, 4 см²,

где = 170 - 2, 0 = 168 см.

Принимаем пояса из универсальной стали 560× 20 мм, что составляет = 560/1700 = 1/3, 03 и находится в пределах рекомендуемого отношения.

Проверяем принятую ширину (свес) поясов исходя из его местной устойчивости:

= (56 - 1, 2)/2-2, 0 = 13, 7 < = 14, 07.

Принятое соотношение размеров пояса удовлетворяет условию его местной устойчивости.

Подобранное сечение балки проверяем на прочность. Определяем момент инерции и момент сопротивления балки:

см⁴.

Наибольшее нормальное напряжение в балке:

= 625036/23976 = 26, 06 кН/см² 26 кН/см².

Подобранное сечение балки удовлетворяет проверке прочности. Проверку прогиба балки делать не нужно, так как принятая высота сечения больше минимальной, и регламентированный прогиб будет обеспечен.