Выбор сталей для строительных конструкций и их расчетные характеристики
Глава 2
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;
Рекомендуемые материалы
– 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 0,4Ry 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.
Таблица 2.1
Стали для конструкций зданий и сооружений по ГОСТ 27772-88
Группа | Сталь | Категория стали для климатического района строительства (расчетная температура, ºС) | |||
ІІ4 (– 30 > t ≥ – 40); ΙΙ5 и др. (t ≥ – 30) | Ι2, ΙΙ2 и ΙΙ3 (– 40 > t ≥ – 50) | Ι1 (– 50 > t ≥ – 65) | |||
2 | С 245 С 255 С 275 С 285 С 345 С 345К С 375 С 390 С 390К С 440 С 590 | +г) + +г) + 1 + 1 + + + + | – – – – 3 – 3 + + + – | – – – – 4а,д) – 4а,д) +б) +в) – | |
3 | С 235 С 245 С 255 С 275 С 285 С 345 С 345К С 375 С 390 С 390К С 440 С 590 | +е,и) + + + + 1 + 1 + + + + | – – +ж) – +ж) 1 + 1 + + + – | – – – – – 2 или 3 – + + + – |
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 (σy < 29 кН/см2);
– повышенной прочности (29 кН/см2 ≤ σy < 40 кН/см2);
– высокой прочности (σy ≥ 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, Ι2, 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.
Таблица 2.2
Нормируемые характеристики для категорий поставки
Ударная вязкость | Категория | |||
1 | 2 | 3 | 4 | |
при –40 оС при –70 оС после механического старения | + – – | – + – | + – + | – + + |
Расчетные сопротивления при растяжении, сжатии и изгибе листового,
широкополосного универсального и фасонного проката принимаются по табл. 2.3.
Расчетное сопротивление сдвигу проката принимается Rs = 0,58Ry.
Расчетное сопротивление смятию торцевой поверхности (при наличии пригонки) Rp = Run/γm 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.
Таблица 2.3
Нормативные и расчетные сопротивления при растяжении, сжатии и
изгибе проката по ГОСТ 27772-88 для стальных конструкций
зданий и сооружений
Сталь | Толщина проката1, мм | Нормативное сопротивление2, МПа, проката | Расчетное сопротивление3, МПа, проката | ||||||
листового, широкополосного универсального | фасонного | листового, широкополосного универсального | фасонного | ||||||
Ryn | Run | Ryn | Run | Ry | Ru | Ry | Ru | ||
C235 | От 2 до 20 Св. 20 до 40 От 40 до 100 Св. 100 | 235 225 215 195 | 360 360 360 360 | 235 225 – – | 360 360 – – | 230 220 210 190 | 350 350 350 350 | 230 220 – – | 350 350 – – |
С245 | От 2 до 20 Св. 20 до 30 | 245 – | 370 – | 245 235 | 370 370 | 240 – | 360 – | 240 230 | 360 360 |
С255 | От 2 до 3,9 От 4 до 10 Св. 10 до 20 Св. 20 до 40 | 255 245 245 235 | 380 380 370 370 | – 255 245 235 | – 380 370 370 | 250 240 240 230 | 370 370 360 360 | – 250 240 230 | – 370 360 360 |
С275 | От 2 до 10 Св. 10 до 20 | 275 265 | 380 370 | 275 275 | 390 380 | 270 260 | 370 360 | 270 270 | 380 370 |
С285 | От 2 до 3,9 От 4 до 10 Св. 10 до 20 | 285 275 265 | 390 390 380 | – 285 275 | – 400 390 | 280 270 260 | 380 380 370 | – 280 270 | – 390 380 |
C345 | От 2 до 10 Св. 10 до 20 Св. 20 до 40 Св. 40 до 60 Св. 60 до 80 Св. 80 до 160 | 345 325 305 285 275 265 | 490 470 460 450 440 430 | 345 325 305 – – – | 490 470 460 – – – | 335 315 300 280 270 260 | 480 460 450 440 430 420 | 335 315 300 – – – | 480 460 450 – – – |
C345К | От 4 до 10 | 345 | 470 | 345 | 470 | 335 | 460 | 335 | 460 |
С375 | От 2 до 10 Св. 10 до 20 Св. 20 до 40 | 375 355 335 | 510 490 480 | 375 355 335 | 510 490 480 | 365 345 325 | 500 480 470 | 365 345 325 | 500 480 470 |
С390 | От 4 до 50 | 390 | 540 | – | – | 380 | 530 | – | – |
С390К | От 4 до 30 | 390 | 540 | – | – | 380 | 530 | – | – |
П р и м е ч а н и я: 1 За толщину фасонного проката следует принимать толщину полки (минимальная его толщина 4 мм).
2 За нормативное сопротивление приняты нормативные значения предела текучести и временного сопротивления по ГОСТ 27772-88.
3 Значения расчетных сопротивлений получены делением нормативных сопротивлений на коэффициент надежности по материалу с округлением до 5 МПа.
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 σu ≥ 42 кН/см2, и применяется для сварки сталей c σu ≤ 42 кН/см2; электрод типа Э50 дает соответственно σu ≥ 50 кН/см2 и применяется для сварки сталей, имеющих σu ≤ 50 кН/см2.
Таблица 2.4
Расчетные сопротивления проката смятию
торцевой поверхности (при наличии пригонки)
Временное сопротивление проката Run, МПа | Расчетное сопротивление смятию Rp = Run/gm, МПа |
360 | 327 |
365 | 332 |
370 | 336 |
380 | 346 |
390 | 355 |
400 | 364 |
430 | 391 |
440 | 400 |
450 | 409 |
460 | 418 |
470 | 427 |
480 | 436 |
490 | 445 |
П р и м е ч а н и е. Значения расчетных сопротивлений получены при gm = 1,1.
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.
Таблица 2.5
Материалы для сварки, соответствующие стали для групп конструкций 2, 3 и 4 во всех климатических районах, кроме I1, I2, II2 и II3
Сталь | Материалы для сварки | ||||
под флюсом | в углекислом газе (по ГОСТ 8050-85) | покрытыми электродами типов (по ГОСТ 9467-75*) | |||
Марки | |||||
флюсов (по ГОСТ 9087-81*) | сварочной проволоки (по ГОСТ 2246-70*) | ||||
C235, C245, С255, С275, С285, Ст20 | АН-348-А АН-60 | Св-08А Св-08ГА | Св-08Г2С | Э42 Э46 | |
С345, С345Т, С375, С375Т | АН-43 АН-47 | Св-10НМА Св-10Г2* Св-08ГА* Св-10ГА* | Э50 | ||
С390, С390Т, С390К, С440 | АН-47 АН-17М1 | Э50 | |||
С345К | АН-348-А | Св-08Х1ДЮ | Св-08ХГ2СДЮ | Э50А | |
* Не применять в сочетании с флюсом АН-43.
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;
Таблица 2.6
Расчетные сопротивления сварных соединений
Сварные соединения | Напряженное состояние | Условное обозначение | Расчетные сопротивления сварных соединений | |
Стыковые | Сжатие. Растяжение и изгиб при автоматической, механизированной или ручной сварке с физическим контролем качества швов | По пределу текучести | Rwy | Rwy = Ry |
По временному сопротивлению | Rwu | Rwu = Ru | ||
Растяжение и изгиб при автоматической, механизированной или ручной сварке | По пределу текучести | Rwy | Rwy = 0,85Ry | |
Сдвиг | Rws | Rws = Rs | ||
С угловыми швами | Срез (условный) | По металлу шва | Rwf |
|
По металлу границы сплавления | Rwz | Rwz = 0,45 Run |
П р и м е ч а н и я: 1. Для швов, выполняемых ручной сваркой, значения Rwun следует принимать равными значениям временного сопротивления разрыву металла шва, указанным в ГОСТ 9467-75*.
2. Для швов, выполняемых автоматической или механизированной сваркой, значения Rwun следует принимать по табл.1.18.
3. Значения коэффициента надежности по материалу шва gwm следует принимать равными: 1,25 – при значениях Rwun не более 490 МПа; 1,35 – при значениях Rwun = 590 МПа и более.
– сварочные материалы с пониженной прочностью и повышенной пла-
стичностью; 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.
Таблица 2.7
Нормативные и расчетные сопротивления металла швов
сварных соединений
Сварочные материалы | Rwun, МПа | Rwf, МПа | |
Тип электродов по ГОСТ 9467-75 | Марка проволоки | ||
Э42, Э42А | Св-08, Св-08А | 410 | 180 |
Э46, Э46А | Св-08ГА | 450 | 200 |
Э50, Э50А | Св-10ГА, Св-08Г2С, Св-08Г2СЦ, ПП-АН8, ПП-АН3 | 490 | 215 |
Э60 | Св-08Г2С*, Св-08Г2СЦ*, Св-10НМА, Св-10Г2 | 590 | 240 |
Э70 | Св-10ХГ2СМА, Св-08ХН2ГМЮ | 685 | 280 |
Вам также может быть полезна лекция "4 Обобщенные показатели загрязненности сточных вод". Э85 | – | 835 | 340 |
* Только для швов с катетом k¦ £ 8мм в конструкциях из стали с пределом текучести 440 МПа и более.
Прочностные характеристики металла швов сварных соединений с угловыми швами приведены в табл. 2.7.