Выбор сталей для строительных конструкций и их расчетные характеристики

Класс стали выбирают на основе вариантного проектирования и технико-экономического анализа по СНиП ІІ-23-81*. Выбор класса стали для строительных конструкций зависит от следующих параметров, влияющих на работу материала:

– температуры среды, в которой монтируются и эксплуатируются конструкции, влияющей на повышенную опасность хрупкого разрушения при пониженных температурах;

– характера нагружения, определяющего особенность работы материала и конструкций при динамической, вибрационной и переменной нагрузках;

– вида напряженного состояния (одноосное сжатие или растяжение, плоское или объемное напряженное состояние) и уровня возникающих напряжений (сильно или слабо нагруженные элементы);

– способа соединения элементов, определяющих уровень собственных напряжений, степень концентрации напряжений и свойства материалов в зоне соединения;

– толщины проката, применяемого в элементах (с увеличением толщины изменяются свойства стали).

В зависимости от степени ответственности конструкций зданий и сооружений, а также от условий их эксплуатации все конструкции разделяются на четыре группы.

К первой группе относятся основные сварные конструкции либо их элементы (подкрановые балки, балки рабочих площадок, элементы конструкций бункеров и т.п.), работающие в особо тяжелых условиях или подверженные непосредственному воздействию динамических, вибрационных или подвижных нагрузок.

Ко второй группе относятся основные сварные конструкции либо их элементы (фермы, ригели рам, балки перекрытий и покрытий и т.п.), работающие при статических нагрузках преимущественно на растяжение, а также конструкции и элементы первой группы при отсутствии сварных соединений.

К третьей группе относятся основные сварные конструкции либо их элементы (колонны, стойки, опорные плиты, элементы настила перекрытий, вертикальные связи по колоннам с напряжением в связях свыше 0,4R_y и т.п.), работающие при статических нагрузках преимущественно на сжатие, а также конструкции и элементы второй группы при отсутствии сварных соединений.

К четвертой группе относятся вспомогательные конструкции зданий и сооружений (связи, кроме указанных в третьей группе, элементы фахверка, лестницы, площадки, ограждения и т.п.), а также конструкции и их элементы третьей группы при отсутствии сварных соединений.

Стали для стальных конструкций зданий и сооружений групп 2 и 3 принимаются по табл. 2.1.

Обозначения, принятые в табл. 2.1:

а) фасонный прокат толщиной до 11 мм, а при согласовании с изготовителем – до 20 мм; листовой – всех толщин;

б) требование по ограничению углеродного эквивалента по ГОСТ 27772-88 для толщин свыше 20 мм;

в) требование по ограничению углеродного эквивалента по ГОСТ 27772-88 для всех толщин;

г) для района ΙΙ₄ для неотапливаемых зданий и конструкций, эксплуатируемых при температуре наружного воздуха, применять прокат толщиной не более 10 мм;

д) при толщине проката не более 11 мм допускается применять сталь категории 3;

е) кроме опор ВЛ, ОРУ и КС;

ж) прокат толщиной до 10 мм;

и) кроме района ІІ₄ для неотапливаемых зданий и конструкций, эксплуатируемых при температуре наружного воздуха.

Знак «+» означает, что данную сталь следует применять; знак «–» означает, что данную сталь в указанном климатическом районе применять не следует.

Знак «+^г)» означает, что данную сталь следует применять с соблюдением оговоренных выше требований.

Требования к элементам конструкций, не имеющих сварных соединений, могут быть снижены, так как отсутствие остаточных полей сварочных напряжений, более низкая концентрация напряжений и другие факторы улучшают их работу.

В пределах каждой группы конструкций в зависимости от температуры эксплуатации к сталям предъявляются требования по ударной вязкости при различных температурах.

Окончательный выбор стали в пределах каждой группы должен выполняться на основании сравнения технико-экономических показателей (расхода стали и стоимости конструкции), а также с учетом заказа металла и технологических возможностей завода-изготовителя.

Стали по прочностным свойствам делятся условно на три группы:

– обычной прочности (σ_y < 29 кН/см²);

– повышенной прочности (29 кН/см² ≤ σ_y < 40 кН/см²);

– высокой прочности (σ_y ≥ 40 кН/см²).

К сталям обычной прочности относятся низкоуглеродистые стали классов С235 – С285 различной степени раскисления (кипящие, полуспокойные и спокойные). К сталям повышенной прочности относятся низколегированные стали классов С345 – С390. Высокое значение ударной вязкости при мелкозернистой структуре позволяет использовать эти стали для конструкций «северного исполнения». К сталям высокопрочным относятся стали классов прочности С440 – С590.

За счет более высоких прочностных характеристик применение сталей повышенной и высокой прочности приводит к экономии металла, но дополнительные затраты на легирование и термообработку делают их дороже низкоуглеродистых сталей обыкновенного качества.

В зависимости от температуры эксплуатации конструкций и степени опасности хрупкого разрушения для сталей С345 и С375 проводятся испытания на ударную вязкость при разных температурах. Поставляются эти стали по четырем категориям (табл. 2.2).

Стали для конструкций, возводимых в климатических районах Ι₁, Ι_2, ΙΙ₂ и ΙΙ₃, но эксплуатируемых в отапливаемых помещениях, следует принимать как для климатического района ΙΙ₄ согласно табл. 2.1, за исключением сталей С245 и С275 для конструкций группы 2.

Расчетные сопротивления при растяжении, сжатии и изгибе листового,

широкополосного универсального и фасонного проката принимаются по табл. 2.3.

Расчетное сопротивление сдвигу проката принимается R_s = 0,58R_y.

Расчетное сопротивление смятию торцевой поверхности (при наличии пригонки) R_p = R_un/γ_m принимается по табл. 2.4.

Выбор материалов для сварки. В современном строительстве для соединения элементов получила распространение главным образом электродуговая сварка.

В зависимости от условий изготовления и монтажа, конструктивных особенностей узлов и элементов металлоконструкций, основных конструкционных материалов применяются наиболее распространенные способы электродуговой сварки: ручная, механизированная и автоматическая.

Прочность сварных соединений зависит от прочности основного металла соединяемых элементов, прочности наплавленного металла шва, формы и вида соединения и связанного с этим распределения напряжений в соединении, характера силового воздействия на соединение, технологии сварки.

Прочность наплавленного металла шва зависит от материала электродной проволоки, состава электродного покрытия при ручной сварке и флюса при автоматической и механизированной технологиях сварки. Правильный выбор сварочных материалов дает возможность при надлежащей технологии сварочного процесса обеспечить прочность наплавленного металла, не уступающую прочности основного металла.

Ручную сварку выполняют плавящимися электродами, которые подразделяют на типы и марки (ГОСТ 9467-75*). Все электроды для ручной сварки открытой дугой выполняются из низкоуглеродистой проволоки марки Св-08 или для сварки конструкций, работающих в тяжелых условиях, – Св-08А. Начальные буквы свидетельствуют, что проволока сварочная, цифры указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Буква А в конце обозначения марки проволоки и типа электрода (Э42А) указывает на повышенную чистоту металла вследствие ограничения содержания серы и фосфора (металл шва обладает повышенной пластичностью, характеризуемой относительным удлинением, и повышенной ударной вязкостью). Для сварки низколегированных сталей проволока в своем химическом составе имеет легирующие элементы, обозначаемые в марке буквами, принятыми при обозначении марок низколегированных сталей.

Электроды подразделяются на типы по значению временного сопротивления металла шва. Например, электрод типа Э42 позволяет получить шов, имеющий σ_u ≥ 42 кН/см², и применяется для сварки сталей c σ_u ≤ 42 кН/см²; электрод типа Э50 дает соответственно σ_u ≥ 50 кН/см² и применяется для сварки сталей, имеющих σ_u ≤ 50 кН/см².

Кроме этой основной классификации, стальные электроды подразделяются на различные виды по некоторым другим признакам:

– по технологическим особенностям сварки (положению сварки в пространстве, глубине проплавления);

– по толщине покрытия (с тонким или толстым покрытиями);

– по способу нанесения покрытия (окунанием или опрессовкой);

– по характеру образующихся при расплавлении шлаков (кислые или основные);

– по роду применяемого тока и полярности (переменный или постоянный ток, прямая или обратная полярность) и др.

Марка электрода определяется составом защитного покрытия и выбирается в зависимости от рода сварочного тока (переменный или постоянный) и пространственного положения шва.

Автоматическая сварка под слоем флюса позволяет получить наиболее качественный сварной шов. Для сварки используются стальная сварочная проволока сплошного сечения и различные флюсы, а также порошковая проволока. Механизированная сварка выполняется электродной проволокой с газовой защитой (в среде углекислого газа) сварочной ванны или порошковой проволокой.

Выбор материала для сварки производится в зависимости от группы конструкций, класса стали и климатического района, в котором конструкция эксплуатируется, по табл. 2.5.

 

Для конструкций 2, 3 и 4 групп в климатических районах Ι₁, Ι₂, ΙΙ₂, ΙΙ₃ и для конструкций группы 1 во всех районах необходимо применять электроды для ручной сварки с индексом А (Э42А, Э46А, Э50А…).

При проектировании тавровых и угловых сварных соединений элементов стальных конструкций с растягивающими напряжениями в направлении толщины проката с целью исключения возможности слоистого разрушения металла под сварным швом применяют, как правило:

– стали для конструкций группы 1 с пределом текучести до 375 МПа, а также стали с гарантированными механическими свойствами в направлении толщины проката;

П р и м е ч а н и я: 1. Для швов, выполняемых ручной сваркой, значения R_wun следует принимать равными значениям временного сопротивления разрыву металла шва, указанным в ГОСТ 9467-75*.

2. Для швов, выполняемых автоматической или механизированной сваркой, значения R_wun следует принимать по табл.1.18.

3. Значения коэффициента надежности по материалу шва g_wm следует принимать равными: 1,25 – при значениях R_wun не более 490 МПа; 1,35 – при значениях R_wun = 590 МПа и более.

– сварочные материалы с пониженной прочностью и повышенной пластичностью; используют технологические приемы сварки, направленные на снижение остаточных сварочных напряжений; не применяют порошковую проволоку.

Расчетные сопротивления сварных соединений для различных видов соединений и напряженных состояний определяются по табл. 2.6.