Элементы металлических конструкций

РАЗДЕЛ 1.  Элементы  металлических  конструкций

1.1. Номенклатура и область применения металлических

конструкций

      Металлические конструкции применяются во всех инженерных сооружениях значительных пролетов, высоты и нагрузок. В зависимости от конструктивной формы и назначения металлические конструкции можно разделить  на  восемь  видов:

1. Промышленные здания  –  цельнометаллические или со смешанным каркасом  (колонны железобетонные). Цельнометаллические в зданиях с                  большим  пролетом,  высотой  и  грузоподъемностью.

2. Большепролетные покрытия зданий – спортивные сооружения, рынки, выставочные павильоны, театры, ангары и др. (пролеты до 100-150 м).

3. Мосты, эстакады – мосты на железнодорожных и автомобильных магистралях.

4. Листовые конструкции – резервуары, газгольдеры, бункеры, трубопроводы   большого  диаметра  и  др.

Рекомендуемые материалы

5. Башни и мачты – радио и телевидения в геодезической службе, опоры                  линии  электропередачи,  нефтяные  вышки  и  др.

6. Каркасы многоэтажных зданий. Применяются в многоэтажных зданиях,  в   условиях  плотной  застройки  больших  городов.

7. Крановые и другие подвижные конструкции – мостовые, башенные,                          козловые  краны,  конструкции  экскаваторов  и  др.

8. Прочие конструкции по использованию атомной энергии в мирных  целях, разнообразные конструкции радиотелескопов для космической и радиосвязи,  платформы  для  разведки и добычи нефти и газа в море и др.                                  

     Металлические  конструкции  обладают  следующими  достоинствами:  

1. Надежность. Материал (сталь, алюминиевые сплавы) обладает большой  однородностью  структуры.

2. Легкость. Металлические  конструкции  самые  легкие.

3. Индустриальность. Изготовление и монтаж металлических конструкций производится специализированными организациями с использованием высокопроизводительной  техники.

4. Непроницаемость. Обладают высокой прочностью и плотностью, непроницаемостью  для  газов  и  жидкостей. 

     Металлические  конструкции  имеют  недостатки:

1. Коррозия. Незащищенность от влажной среды, атмосферы,  загрязненной агрессивными газами, сталь коррозирует  (окисляется) и разрушается. Поэтому в сталь включают специальные легирующие элементы,  покрывают  защитными  пленками  (лаки,  краски  и  т.д.).

2. Небольшая огнестойкость. У стали при температуре 200˚С уменьшается  модуль упругости, а при температуре 600˚С сталь полностью переходит в пластическое состояние. Алюминиевые сплавы переходят в пластическое состояние при 300˚С. Поэтому металлические конструкции защищают огнестойкими  облицовками  (бетон,  керамика,  специальные  покрытия

и  т.д.).

     При проектировании металлических  конструкций должны учитываться следующие  требования:

      1. Условия  эксплуатации.

 2. Экономия   металла   (высокая  стоимость).

3. Транспортабельность (перевозка по частям или целиком с применением соответствующих  транспортных  средств).

4. Технологичность – использование современных технологических приемов,  обеспечивающих  снижение  трудоемкости.

5. Скоростной монтаж. Сборка  в  наименьшие  сроки.

6. Долговечность – определяется сроками физического и морального износа.

7. Эстетичность. Конструкция  должна  обладать  гармоничными формами.

      Основным принципом проектирования является достижение трех главных показателей: экономии стали, повышение производительности труда при изготовлении, снижение трудоемкости и сроков монтажа, которые  определяют  стоимость  конструкции.

      Достигается это путем использования низколегированных и высокопрочных сталей, экономичных прокатных и гнутых профилей, внедрения в строительство пространственных, предварительно напряженных, висячих, трубчатых и т. п. конструкций, совершенствованием методов расчета и изысканием  конструктивных оптимальных решений с использованием ЭВМ. Кроме того, разработаны типовые решения часто повторяющихся конструктивных элементов - колонн, ферм, подкрановых балок, оконных и фонарных проемов, радиомачт, башен, опор  линии электропередачи, резервуаров  т.п.

1.2. Свойства и работа строительных сталей и

алюминиевых сплавов

      Для строительных металлических конструкций используются, в основном, стали  и  алюминиевые  сплавы.

      Наиболее важными для работы являются механические свойства: прочность, упругость, пластичность, склонность к упругому разрушению, ползучесть, твердость, а также свариваемость, коррозионная стойкость, склонность  к   старению и  технологичность.

      Прочность - характеризует сопротивляемость материала внешним силовым  воздействиям  без  разрушения.

      Упругость – свойство материала восстанавливать свою первоначальную форму   после  снятия  внешних  нагрузок.

      Пластичность – свойство материала сохранять деформативное состояние после  снятия  нагрузки,  т.е. получать остаточные деформации без разрушения.

      Хрупкость – склонность  разрушаться  при  малых  деформациях.

      Ползучесть – свойство материала непрерывно деформироваться во времени без  увеличения  нагрузки.

      Твердость – свойство поверхностного слоя металла сопротивляться упругой и пластической деформациям или разрушению при внедрении в него индентора  из  более  твердого  материала.

      Прочность металла при статическом нагружении, а также его упругие и пластические свойства  определяются испытанием стандартных образцов на растяжение с записью диаграммы зависимости между напряжением Ơ и относительным удлинением  ε.

     Диаграммы  растяжения различных металлов показаны на рис.1.1,б.     

1.3. Классификация сталей

       По прочностным свойствам стали условно делятся на три группы: обычной   (Ơ _у  = 29 кН/см), повышенной (Ơ _у = 29-40 кН/см)  и высокой прочности  (Ơ _у >  >40 кН/см).

       Повышение прочности стали, достигается легированием и термической обработкой.

       По химическому составу стали, подразделяются на углеродистые и легированные.

       Углеродистые стали состоят из железа и углерода с добавкой кремния (или  алюминия)  и  марганца.

Рис.1.1. К определению механических характеристик металла:

                        а – образец для испытания на растяжение; б – к определению

                                 предела  пропорциональности и предела упругости

       Углерод (У)  повышая прочность стали, снижает ее пластичность и ухудшает свариваемость, поэтому применяются только низкоуглеродистые стали (У <   0,22%).

      Легированные стали помимо железа и углерода имеют специальные добавки, улучшающие качество стали. Однако, добавки ухудшают свариваемость стали и удорожают ее,  поэтому в строительстве  используют низколегированные  стали  с  содержанием  добавки  не  более   5%.

      Основными легирующими добавками являются кремний (С), марганец (Г), медь (Д), хром (Х), никель (Н), ванадий (Ф), молибден (М), алюминий (Ю), азот (А).

      Кремний раскисляет сталь, т.е. связывает избыточный кислород и повышает ее прочность, снижает пластичность, ухудшает свариваемость и коррозионную  стойкость.

      Марганец повышает прочность, снижает вредное влияние серы. При содержании  марганца   >  1,5%  сталь  становится  хрупкой.

      Медь повышает прочность, увеличивает стойкость против коррозии. Содержание  меди    >  0,7%   способствует  старению  и  хрупкости  стали.

      Хром и никель повышают прочность стали, без  снижения  пластичности

и  улучшают  ее  коррозионную  стойкость.   

      Алюминий раскисляет сталь, нейтрализует вредное влияние фосфора, повышает  ударную  вязкость.

      Ванадий и молибден увеличивают прочность почти без снижения пластичности, предотвращают разупрочнение термообработанной  стали при сварке.

     Азот в несвязном состоянии способствует старению стали, делает ее хрупкой,  поэтому  его  должно  быть  не  более  0,009%.

Фосфор относится к  вредным примесям так как, повышает хрупкость стали.                                                      В зависимости от вида поставки стали подразделяются на горячекатаные и

термообработанные  (закалка  в  воде  и  высокотемпературный  отпуск).

      По степени раскисления стали могут быть кипящими, полуспокойными и спокойными.

      Спокойные стали используют при изготовлении ответственных конструкций, подвергающихся динамическим воздействиям. Полуспокойная сталь  –  промежуточная  между  кипящей  и  спокойной.

                    1.4. Выбор сталей для строительных конструкций.

      Выбор стали ведется на основе вариантного проектирования и технико-экономического анализа с учетом рекомендаций норм. Поэтому следует стремиться к большей унификации конструкций, сокращению числа профилей и сталей. Выбор стали, зависит от следующих параметров, влияющих на работу материала:

температуры среды;

характера нагружения;

вида напряженного состояния;

способа соединения элементов;

толщины проката.

      В зависимости от условий работы материала все виды конструкций разделены  на  четыре  группы:

      К первой группе относятся сварные конструкции, работающие в особо тяжелых условиях, поэтому возможно хрупкое и усталостное разрушение, К свойствам сталей для этих конструкций предъявляются наиболее высокие требования.                      

     Ко второй группе относятся сварные конструкции, работающие на статическую нагрузку при воздействии одноосного и однозначного двухосного поля растягивающих напряжений (например, фермы, ригели рам, балки перекрытий и покрытий и т. д.), а также конструкции первой группы при отсутствии  сварных  соединений.

      Общим для конструкций этой группы является повышенная опасность хрупкого разрушения. Вероятность усталостного разрушения меньше, чем для первой  группы.

      К третьей группе относятся сварные конструкции, работающие при преимущественном  воздействии сжимающих напряжений (например, колонны, стойки, опоры под оборудование и др.), а также конструкции второй группы при  отсутствии  сварных  соединений.

      В четвертую группу включены вспомогательные конструкции и элементы (связи, элементы фахверка, лестницы, ограждения и т. п.),  а также конструкции третьей  группы  при  отсутствии  сварных  соединений.

      Если для конструкций третьей и четвертой групп достаточно ограничиться требованиями к прочности при статических нагрузках, то для конструкций первой и второй групп важна оценка сопротивления стали динамическим воздействиям  и  хрупкому  разрушению.

      В материалах для сварных конструкций обязательно следует оценить свариваемость. Требования к элементам конструкций, не имеющих сварных соединений,  могут  быть  снижены.

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

      В нормах содержится перечень сталей в зависимости от группы конструкций  и  климатического  района  строительства.

1.5. Влияние различных факторов на свойства стали

      Старение. При температурах ниже температуры образования феррита растворимость углерода ничтожна, но все же в небольшом количестве он остается. При благоприятных обстоятельствах углерод выделяется, располагается между зернами феррита и группируется у различных дефектов кристаллической  решетки.

      Старению способствуют – механические воздействия, особенно пластические деформации (механическое старение), температурные колебания, приводящие к изменению растворимости и скорости диффузии компонентов (температурное старение). При температуре 150-200ºС  старение резко возрастает.

      Наклеп.  Повторные загружения в пределах упругих деформаций (до предела упругости) не изменяют вида диаграммы работы стали, нагружение и разгрузка будут происходить по одной линии (рис.1.2.а).

Рис.1.2. Диаграммы деформирования стали при повторном нагружении:

а – в пределах упругих деформаций;  б – с перерывом (после «отдыха»);

в – без перерыва

     Если образец загрузить до пластического состояния и затем снять нагрузку, то появятся остаточные деформации  ε_ост. При повторном нагружении образца после некоторого «отдыха» материал работает упруго до уровня предыдущего загружения. Повышение упругой работы материала в результате предшествующей пластической деформации называется наклепом.      При наклепе искажается атомная решетка и увеличивается плотность дислокаций. Пластичность стали снижается, повышается опасность хрупкого разрушения, что неблагоприятно сказывается на работе строительных конструкций.

     Наклеп возникает в процессе изготовления конструкций при холодной гибки  элементов,  пробивке  отверстий,  резке  ножницами.

      Влияние температуры. Механические свойства стали при нагревании ее до температуры    t  = 200-250˚С    практически  не  меняются.

       При температуре  250-300˚С   прочность стали повышается, но снижается пластичность.  Сталь  становится  более  хрупкой.

      Нагрев свыше  400˚С   приводит к резкому падению предела текучести и временного сопротивления, при  t = 600-650ºС   наступает температурная пластичность  и  сталь  теряет  свою  несущую  способность.

      При отрицательных температурах прочность стали возрастает, временное сопротивление и предел текучести сближаются, ударная вязкость падает и сталь  становится   хрупкой.

      Склонность стали к хрупкому разрушению при низких температурах зависит от величины зерна (мелкозернистые стали лучше сопротивляются хрупкому разрушению и имеют более низкий порог хладноломкости), наличия вредных примесей (фосфор, сера, азот, водород), толщины проката (масштабный  фактор).

     Наиболее склонны к хрупкому разрушению кипящие стали.

1.6.  Виды разрушений

      Разрушение металла в зависимости от степени развития пластических деформаций может быть хрупким или пластичным (вязким).

      Хрупкое разрушение происходит путем отрыва (рис.1.3,а), без заметных деформаций, внезапно. Пластическое разрушение является результатом сдвига, сопровождается значительными деформациями, которые могут быть своевременно  обнаружены,  и  поэтому  менее  опасно  (рис.1.3, б).

     Один и тот же материал может разрушаться хрупко и пластично (вязко) в зависимости от условий работы (вид напряженного состояния, наличия концентраторов  напряжений,  температура  эксплуатации).

     При отрыве разрушается межатомная решетка. Зная силы сцепления между атомами, можно определить прочность кристалла при отрыве, которая равна приблизительно  3300 кН/см².

     Сдвинуть одну часть кристалла относительно другой значительно  легче, так как касательные напряжения, которые необходимо приложить для смещения составляют около 1300 кН/см² (рис.1.3,в), что намного больше предела текучести  реальных  материалов.

Рис.1.3. Виды разрушения:

 а - отрыв; б - срез; в - схема смещения атомных слоев при сдвиге; г - диаграмма работы материала; 1 – плоское скольжение;  2 – вязкое разрушение; 3 – хрупкое разрушение

1.7. Работа металла под нагрузкой

      Работу стали при одноосном напряжении можно проследить по испытанию образца  на  растяжения  (рис.1.4.).

      В стадии 1 до предела пропорциональности Ơ_р связь между напряжением и деформациями  подчиняется  закону  Гука  (Ơ=Еε) – это стадия упругой работы.

Деформации происходят за счет упруго возвратных искажений кристаллической  решетки  и  исчезают  после  снятия  нагрузки.

                                

                                  Рис.1.4. Диаграмма растяжения стали и образование шейки

      При дальнейшем увеличении нагрузки (стадия 2) появляются отдельные сдвиги в зернах феррита, дислокации начинают скапливаться около границ зерен; прямая пропорциональность между напряжениями и деформациями нарушается (участок упруго пластической работы между Ơ_р и Ơ_y). Последующее увеличение напряжений приводит к интенсивному движению дислокаций и увеличению их плотности, развитию линий сдвига в зернах феррита; деформации растут при постоянной нагрузке. На диаграмме появляется  площадка  текучести  (стадия 3).

      Протяженность площадки текучести низкоуглеродистых и некоторых низколегированных  сталей  составляет  1,5 – 2,5%.

      Развитие деформаций происходит в результате упругого деформирования и необратимых пластических сдвигов. При снятии нагрузки упругая часть деформаций исчезает, а необратимая остается, приводя к остаточным деформациям (линия разгрузки идет параллельно упругой части линии нагрузки).

      Дальнейшее развитие деформации сдерживается у границ зерен. Линии сдвига искривляются, движение дислокации затрудняется, и рост деформаций возможен только при увеличении нагрузки (стадия 4 – самоупрочнение), материал  работает  как   упругопластический.

     При напряжениях, близких к временному сопротивлению (Ơ_u) продольные и поперечные деформации локализуются в наиболее слабом месте, и в образце образуется шейка. Площадь сечения шейки интенсивно уменьшается, напряжения в месте сужения растут, поэтому, несмотря на то, что нагрузка на образец снижается, в месте образования шейки нарушаются силы межатомного

 Сцепления  и  происходит  разрыв.

     Площадка  текучести  свойственна  сталям с содержанием углерода 0,1-0,3%.

     При работе конструкции в упругопластической области диаграмму работы стали  Ơ -  ε  можно упростить в сторону некоторого запаса и заменить идеализированной диаграммой упругопластического тела, совершенно упругого до предела текучести и совершенно пластичного после него (диаграмма   Прандтля,   рис.1.5.).

Рис.1.5. Идеализированная диаграмма работы стали

   

     При сжатии коротких образцов, которые не могут потерять устойчивость, сталь ведет себя также как и при растяжении, т.е. предел пропорциональности, предел  текучести  и  модуль  упругости  совпадают.

     Однако разрушить при сжатии короткие образцы, изготовленные из пластической стали, и определить временное сопротивление не представляется возможным, поскольку образец сжимается и в конечном результате расплющивается. Высокопрочные стали, с пониженной пластичностью, могут разрушаться  по  наклонному  сечению  от  среза.

     Так как в упругой и упругопластической стадиях работы сталь ведет себя при растяжении и сжатии одинаково, то соответствующие характеристики принимаются  также  одинаковыми.

      Повышенная несущая способность при сжатии некоторых образцов в области  само упрочнения   используется   при   работе  стали  на  смятие.

      При работе материала в упругой стадии повторное загружение не отражается  на  работе,  поскольку  упругие  деформации  обратимы.

      При повторном нагружении металла в упругопластической области возникает наклеп. Увеличивается область упругой работы, а пластичность падает.  Сталь  становится  более  хрупкой.

      Многократное повторное нагружение может привести к разрушению при меньших напряжениях, чем временное сопротивление и даже предел текучести. Это явление называется усталостью металла, а разрушение – усталостным.

      Способность металла сопротивляться усталостному разрушению называется выносливостью, а напряжения, при которых происходит разрушение – вибрационной прочностью Ơ_вб.

     Усталостное разрушение происходит вследствие накопления числа дислокаций при каждом загружении и концентрации их около стыков зерен с последующим скоплением в большие группы, что приводит к рыхлению металла в этом месте и образованию трещин, которые развиваясь, приводят к разрыву. При каждом нагружении деформации в поврежденном месте нарастают. Линии разгрузки не совпадают с линиями нагрузки, образуя петли гистерезиса (см. рис.1.2,в). Площадь петли характеризует энергию, затраченную при каждом цикле нагрузки на образование новых несовершенств в атомной структуре и дислокаций там, где образуются трещины, металл как бы перетирается, образуя гладкие истертые поверхности, затем трещина быстро развивается  и  происходит  разрыв.         

     Вибрационная прочность зависит от числа циклов загружения (рис.1.6.) и вида  загружения.

    При большом числе циклов кривая вибрационной прочности (кривая Вел Лера) асимметрически приближается к некоторому пределу, называемому пределом выносливости (усталости). Обычно проводят 2х10⁶ циклов нагружения, чтобы определить выносливость, так как меньшее количество циклов  мало  отличается  от  предела  усталости.

     Алюминиевые сплавы не имеют предела усталости, и их вибрационная прочность  при  увеличении  числа  циклов  постоянно  снижается  (см. рис.1.6).

     Большое влияние на усталостную прочность оказывает концентрация напряжений.  Так при круглом отверстии (кривая 3, рис. 1.7) предел упругости снижается в 1,4 раза, а при остром концентраторе (кривая 7) около начала флангового   шва  -   в   3,5 раза.

     Применение высокопрочных сталей в конструкциях, подвергающихся многократному воздействию повторных нагрузок, не всегда оправдывается по экономическим  соображениям.

      Значительное снижение усталостной прочности наблюдается даже при необработанных после огневой резки или гильотинных ножниц кромок деталей.   Поэтому  кромки  следует  обрабатывать  механическим  способом.

      Особенно чувствительны к концентрации напряжений стали повышенной и высокой  прочности.

      Повысить усталостную прочность конструкции можно путем снижения концентрации напряжений (механическая обработка кромок, зачистка швов, обеспечение плавного изменения сечения и т. д.), создания в местах концентрации напряжений сжатия, например, с помощью нагрева мест концентрации, предварительной вытяжкой конструкций, обкаткой подкрановых балок  кранами  с  допустимой  перегрузкой  и  т. д.

                                

-------------------------------------------------------------------------------------------------------

     1. Развитие металлических конструкций, общая характеристика, область применения,  достоинства  и  недостатки  (стр.1-9).

     2 .  Как  выбирают  стали  при  проектировании?  (9-10; 12-13).

     3.  Требуемые  свойства  металлов  и  их  оценка  (стр.10-11).

Бесплатная лекция: "Архитектурные диаграммы" также доступна.

     4.   Классификация  сталей   (стр.11-12).

5.  Какие  факторы  влияют  на  свойства  стали?  (стр.13-15).

6.  Какие  виды  разрушения  металла?   (стр.15).

7.  Как работает металл под нагрузкой при однократном нагружении?(стр.16-17)

8.  Что такое усталость металла? Какие меры принимают для повышения усталостной  прочности?   (стр.18-19).

9. Что  влияет  на  снижение  усталостной  прочности?  (стр.19).