Химический состав и структура сталей. Выбор марки стали.

Сталь – это сплав железа с углеродом, содержащий легирующие добавки и примеси.

Структура стали – поликристаллическая решетка, состоящая из множества различно ориентированных кристаллов (зерен). В каждом кристалле атомы расположены упорядоченно в узлах пространственной решетки.. Каждое зерно имеет различные свойства по разным направлениям, но при большом числе зерен эти различия сглаживаются. Структура стали зависит от условий кристаллизации, химического состава, режима термообработки и прокатки.

После плавления железа при температуре 1535 градусов образуется феррит (чистое железо), при введении углерода температура плавления снижается и образуется перлит – смесь феррита и карбида железа, который называется цементит. Феррит пластичен и малопрочен, цементит тверд и хрупок. Величина зерен феррита и цементита влияет на механические свойства стали – чем меньше зерно, тем выше качество стали.

Легирующие добавки упрочняют сталь, увеличивают число очагов кристаллизации и ведут к образованию мелкозернистой структуры. Основные легирующие добавки – кремний, марганец, медь, хром, никель, ванадий, молибден, алюминий, азот.

Выбор марки стали зависит от следующих параметров:

- температура среды, в которой монтируется и эксплуатируется конструкция,

- характер нагружения – учитывает работу материала под действием нагрузки,

- вид напряженного состояния (сжатие или растяжение) и уровень возникающих напряжений,

- способ соединения элементов,

- толщина проката.

Также необходимо учитывать группу конструкций:

1 группа – сварные конструкции, работающие в особо тяжелых условиях, либо подвергающиеся воздействию вибрационных, переменных и динамических нагрузок (подкрановые балки, фермы и балки рабочих площадок).

2 группа – сварные конструкции, работающие на статическую нагрузку (фермы, ригели рам, балки перекрытий, изгибаемые и сжатые элементы).

3 группа – конструкции, работающие преимущественно на сжимающие нагрузки (колонны, стойки, опоры).

4 группа – связи, вспомогательные конструкции и элементы (лестницы, ограждения).

Сортамент металлопроката. Классификация видов профилей.

Сортамент прокатной 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=1-12мм. Используется в изготовлении гнутых профилей, для кровельных покрытий. до 4мм (хол и гор способ)

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

4.полосовая сталь: ширина = до 200мм. Используется для диафрагм, ребер жёсткости.

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

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

Сортамент – перечень прокатных профилей с указанием формы, размеров. Классификация профилей:

- прокатные -уголки, швеллеры, двутавры, тавры, трубы. 

- гнутые, гнуто-сварные

- прессованные.

Разнообразие видов профилей, входящих в сортамент, а также достаточно частая градация размеров одного вида профиля обеспечивают экономичное проектирование конструкций при создании разнообразных конструктивных форм.

Для прокатных профилей технология прокатки обеспечивает толщину стенки не менее 4-6мм. Поэтому применение тонкостенных сварных балок для сжатых элементов будет более эффективным, так как толщина стенки в них может быть уменьшена до 1-3мм. Эффективность – высота к

Толщине профиля

Прокатные, гнутые, гнуто-сварные и прессованные эффективные профили.

Уголковые профили: прокатывают в виде равнополочных и неравнополочных уголков. Площадь сечения от 1 до 140 см². применяют в поясах и решетках стропильных ферм, связях, распорках.

Швеллеры: номер швеллера соответствует высоте стенки. Швеллеры применяют в мостах, большепролетных фермах, а также в колоннах, связях.

Двутавры: имеют уклон внутренних граней полок. Чем тоньше стенка двутавра, тем выгоднее сечение балки при работе на изгиб. Двутавры с параллельными гранями полок бывают балочные, широкополочные, колонного типа. Наиболее рационально использовать их в конструкциях, работающих на изгиб.

Трубы: рационально использовать в центрально сжатых конструкциях. Бывают круглые горячекатаные и электросварные прямошовные. Расход стали снижается на 25%, но стоимость изготовления более высокая. Трубы обтекаемы и обладают более высокой коррозионной стойкостью.

Гнутые профили изготавливаются из листа, ленты толщиной 1-8мм. Профили из них могут иметь самую разнообразную форму. Наиболее часто используются уголки равнополочныеи неравнополочные, швеллеры, замкнутые гнуто-сварные профили квадратного и прямоугольного сечений и оцинкованного профилированного настилы. Основная область применения этих профилей – легкие конструкции покрытий зданий, где они, заменяя прокатные профили, могут дать экономию металла до 10%.

Профили из алюминиевых сплавов получают прокаткой, прессованием или литьем. Листы, ленты и плиты прокатываются в горячем или холодном состоянии. Фасонные профили, в том числе и полые, изготавливают горячим прессованием на гидравлических прессах. Продавливая слитки через матрицы различных типов, можно получить профили разнообразных поперечных сечений. На современном прессовом оборудовании можно изготавливать профили площадью сечения 0,5-300 см².

Основы расчета МК. Предельные состояния, современная классификация.

Цель расчета – строгое обоснование габаритов и сечений элементов, процесс поиска оптимального решения, обеспечивающих заданные условия эксплуатации в течение всего срока с необходимой надежностью и долговечностью при минимальных затратах материалов и трудоемкости. Расчет обычно состоит из следующих этапов:

- выбор расчетной схемы;

- сбор нагрузок;

- определение усилий в элементах;

- подбор сечений и проверка допустимости напряженно-деформированного состояния.

Главная особенность расчетов заключается в необходимости учета изменчивости внешних воздействий, разброса прочностных характеристик металла и особенностей работы металла в конкретных условиях.

До 1955 года МК рассчитывались по методике допускаемых напряжений, в которой учитывался единый коэффициент запаса, учитывающий изменчивость различных параметров. В 1955 году в СССР были выпущены новые строительные нормы и правила, основанные на методике предельных состояний, где вместо одного используются три основных коэффициента.

Предельное состояние – это состояние, при котором конструкция перестает удовлетворять предъявляемым ей требованиям.

2 группы предельных состояний:

1 группа – потеря несущей способности - потеря прочности, устойчивости (сжатие, изгиб), возникновение пластического шарнира. Это все, как правило, ведёт к разрушению любого вида (вязкое, хрупкое, усталостное).

2 группа – затруднение нормальной эксплуатации, невыполнение эстетических требований, снижение долговечности (прогибы, осадки опор, колебания, трещины). Как правило, не ведёт к разрушению.

Расчет конструкций должен гарантировать ненаступление предельного состояния. Предельные состояния 1 группы не должны быть нарушены ни разу за весь срок эксплуатации. Расчет по 2 группе следует выполнять на нагрузки, возникающие в процессе нормальной эксплуатации.