Физические характеристики стали

Содержание

1. Конструкционная характеристика стали                                                                          4

1.1. Свойства стали                                                                                                               4

1.2. Физические свойства стали                                                                                          5

1.3. Классификация сталей                                                                                                   6

1.4. Расчет металла под нагрузкой                                                                                      7

1.5. Сортамент стальных изделий                                                                                       8

2. Основы расчета стальных конструкций                                                                           12

2.1. Общие положения метода предельных состояний                                                     12

2.2. Компоненты предельных состояний                                                                           13

2.3. Общие положения метода допускаемых напряжений                                               17

3. Соединения стальных конструкций                                                                                   18

3.1. Сварные соединения                                                                                                      18

3.2. Классы сварки                                                                                                                            18

3.3. Виды сварных швов и соединений                                                                              20

3.4. Конструирование и расчет сварных соединений                                                       22

3.5. Расчет сварных швов                                                                                                                 24

3.6. Болтовые соединения                                                                                                                30

3.7. Классификация болтов                                                                                              30

3.8. Условные обозначения                                                                                                  30

3.9. Расчет болтовых соединений                                                                                        31

3.10. Конструирование болтовых соединений                                                                  32

3.11. Соединения на высокопрочных болтах                                                                     36

4. Проектирование конструкций балочной клетки                                                             38

4.1. Типы балок                                                                                                          38                                                                                                                          

4.2. Типы балочных клеток                                                                                                  38

4.3. Виды сопряжения балок                                                                                                39

4.4. Основные размеры балочной клетки                                                                           40

4.5. Настил балочной клетки                                                                                               40

4.6. Подбор сечений прокатных балок                                                                               42

4.7. Проверка жесткости балки                                                                                            44

4.8. Подбор сечений составных балок                                                                                51

4.9. Конструктивное оформление балок                                                                                        58

4.9.1. Изменение сечения                                                                                                  59

4.9.2. Назначение поясных швов                                                                                      63

4.9.3. Общая устойчивость балок                                                                                     64

4.9.4. Местная устойчивость балки                                                                                  64

4.9.5. Размещение ребер жесткости                                                                                  67

4.9.6. Проектирование опорных частей балок                                                       69

4.9.7. Стыки балок                                                                                                              73

4.9.8. Конструкции сопряжений балок                                                                            79

5. Проектирование центрально сжатых стержней                                                          82

5.1. Подбор сечений                                                                                                              85

5.1.1. Компоновка сплошных сечений стоек                                                                  88

5.1.2. Компоновка сквозного сечения                                                                                         90

5.1.3. Конструктивное оформление стержня                                                                  93

5.2. Оголовки стоек                                                                                                               96

5.3. Базы стоек                                                                                                                       99

5.3.1. Общее положение                                                                                              99

5.3.2. Расчет базы при фрезерованном торце стержня колонны                                  100

5.3.3. Расчет и конструирование баз с траверсой и консольными ребрами               102

КОНСТРУКЦИОННАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СТАЛИ

Свойства стали

Сталь – это сплав железа с углеродом и некоторыми добавками.

Применение стали должно быть обоснованно экономически в каждом конкретном случае, в общем же сталь рекомендуется применять при относительно больших пролетах, высотах и нагрузках, тем более, если последние имеют знакопеременный характер (признак динамическогонагружения).

Область применения металлических конструкций чрезвычайно широка – от отдельных конструктивных элементов, до целых объектов и их комплексов.

Стали, независимо от их вида, марки, способа изготовления отличают от других строительных материалов как положительные, так и отрицательные конструкционные свойства.

Выделим положительные:

    1) относительно малый вес, легкость (обратная характеристика – относительно высокая прочность) – параметр, равный отношению объемного веса, для всех сталей γ = 7850 кг/см³, к основному прочностному показателю, расчетному сопротивлении при смятии, растяжении и изгибе, зависящему от марки стали – R≈ 2150…3600 кг/см², для сталей заметно, в 5…10 раз меньше, чем у дерева или бетона; благодаря этому свойству металлические конструкции в реальных сооружениях, выглядят изящно, легко, можно сказать ажурно;

    2) однородность структуры и состава – вне зависимости от завода-изготовителя – гарантирует надежность прочностных характеристик, высокую повторяемость;

    3) изотропность – обеспечивает одинаковость механических характеристик вне зависимости от направления воздействия;

    4) высокая плотность – влаго- и газонепроницаемость;

    5) индустриальность – изготовление в основном в заводских условиях, обеспечивающих свойства по п. 2), 4);

    6) технологичность – как удобство обработки при изготовлении с применением резки, строжки, сверления, прокола (продавливания), сварки различных способов и в самых разнообразных пространственных положениях и т.д.

Отрицательные свойства стали:

    1) подверженность коррозии – может быть снижена применением легирующих элементов при выплавке стали (связана с маркой стали); созданием более благоприятных условий эксплуатации – конструктивные решения и мероприятия, снижающие возможность застоя влаги, накопления пыли, грязи и т.п.; применением защитных лакокрасочных или иных (оцинковка) покрытий;

    2) относительно невысокая огнестойкость – при нагреве в 600^оС и более начинают активно снижаться механические характеристики – все показатели прочности, модуль упругости – Е, увеличивается пластичность;

    повышение огнестойкости достигается принятием определенных эксплуатационных мероприятий; применением специальных защитных обмазок;

    3) склонность к усталости при постоянных динамических нагрузках – показатели прочности постепенно снижаются вплоть до уровней (0.5…0.6) R;

    4) горячеломкость, холодноломкость – из-за влияния серы, фосфора, кислорода и азота в стали возникает склонность к хрупкому разрушению как при интенсивном нагреве – включая сварку и резку, так и при естественном охлаждении и т.д.

    Проявление отрицательных свойств стали можно значительно снизить грамотным выбором марки стали, регламентируемыми нормами [2, табл. 50], применением различных специальных конструктивно-технологических приемов, созданием благоприятных условий эксплуатации. С учетом этого можно определенно утверждать, что сталь – хороший конструкционный материал.

Основными свойствамистали являются:

1) прочность – способность стали сопротивляться внешним силовым воздействиям без разрушения;

2) упругость – свойство восстанавливать свою первоначальную форму после снятия внешних нагрузок;

3) пластичность – свойство сохранять деформированное состояние после снятия нагрузки, т.е. получать остаточные деформации без разрушения;

4) хрупкость – склонность к разрушению при малых деформациях;

5) ползучесть – увеличение деформаций без изменения нагрузки во времени;

6) твердость – свойство поверхностного слоя металла сопротивляться деформации или разрушению;

7) свариваемость – оценивается по химическому составу;

8) коррозийная стойкость – зависит от химического состава; мерой служит скорость коррозии по толщине металла в мм/год;

9) наклеп – увеличение области упругой работы стали (Рис. 1);

Рис. 1 – Диаграммы деформирования стали при повторномнагружении:

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

10) старение – изменение свойств стали со временем;

11) усталость – разрушение под действием повторяющейся (закономерной) нагрузки.

Физические характеристики стали

1) плотность ρ = 7,85∙10³ кН/м³ (объемный вес γ) – масса (вес) вещества, заключенного в единичном объеме;

2) коэффициент линейного расширения α = 0,12∙10^-4 см^-1– величина, характеризующая относительную величину изменения линейных размеров тела с увеличением температуры на 1^оС при постоянном давлении;

3) модуль упругостиЕ = 2,06∙10⁴ МПа – характеризует способность материала упруго деформироваться при приложении к нему силы;

4) модуль сдвига G = 0,78∙10⁴ МПа – характеризует способность материала сопротивляться изменению формы при сохранении его объёма;

5) коэффициент поперечной деформации υ = 0,3 – характеризует способность материала к поперечным деформациям при упругой работе материала.

Классификация сталей

1) По гарантиям:

- группа А – механических характеристик;

- группа Б – химического состава;

- группа В – механических характеристик и химического состава.

В строительстве применяются только стали группы В. Вне зависимости от способа изготовления (мартеновская или конверторная) выплавленная сталь до разлива в изложницы выдерживается в приемном ковше по разным технологиям и режимам, обеспечивающим, соответственно, разное качество стали.

2) В зависимости от режима выдержки:

- кипящие (Вст3кп) – наименее качественные, получаемые при относительно небольшой продолжительности выдержки, могут иметь природные включения;

- полуспокойные (Вст3пс) – более качественные, имеют более однородный состав, т.к. их выдержка более продолжительна;

- спокойные (Вст3сп) – наиболее качественные стали этой группы, что достигается не только собственно выдержкой, но и добавлением, так называемых раскислителей (ферросплавы, алюминиевый порошок и т.п.), активирующих процессы выведения в шлак инородных включений.

3) По химическому составу:

- углеродистые - состоят из железа и углерода с добавкой кремния (или алюминия) и марганца; углерод, повышая прочность стали, снижает ее пластичность и ухудшает свариваемость, поэтому применяются только низкоуглеродистые стали (У<0,22%);

- легированные – 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%.

Низколегированные стали нередко не имеют выраженной площадки текучести, поэтому предел текучести для них часто назначается условно, а сами стали отличает слабая склонность к развитию пластических деформаций. В качестве легирующих используются добавки, содержащие кремний (С), никель (Н), хром (Х), марганец (Г), медь (Д), и др. элементы.

    Хром, кремний,…- повышают прочностные характеристики, но снижают пластичность;

никель, марганец, медь,…- повышают вязкость, способность к восприятию динамических воздействий, сопротивляемость коррозии, но несколько снижают прочность.

    Объем легирующих добавок обычно невелик и по каждому из применяемых элементов указывается в целых процентах, представляемых в обозначении марки стали сразу за значком элемента.

Сами обозначения марок низколегированных сталей имеет вид – 10ХСНД, 14Г2, 09Г2С,…(первые две цифры указывают в сотых долях процента содержание углерода).

4) По прочностным свойствам (в скобках):

- обычной прочности, с R_yn<290 МПа: С235 (или ВСт3кп2), С245 (или ВСт3пс6), С255 (или ВСт3сп5, ВСт3Гпс5), С275 (или ВСт3пс6-2), С285 (или ВСт3сп5-2, ВСт3Гпс5-5);

- повышенной прочности, с 290 МПа<R_yn<400 МПа: С345, С345К, С345Т (или 09Г2С, 14Г2, 12Г2С, ВСтГпс), С375 (или 10Г2С1, 15ХНД, 10ХСНД), С375К, С375Т;

- высокой прочности, с R_yn>>400 МПа: С390 (или 14Г2АФ, 10Г2С1т.о., 10ХСНД), С390Т, С390К, С440 (или 16Г2АФ), С590 (или 12Г2СМФ), С590К.

Буква «С» в марке обозначает «сталь строительная», цифра показывает значение предела текучести, МПа, К – вариант химического состава, Т – термически улучшенная (марка по ГОСТ 27772-88). В скобках указана марка-аналог по другим стандартам.

На рис. 2 приведены диаграммы растяжения стали различной прочности.

5) В зависимости от условий эксплуатации конструкции:

- группа 1 – сварные  конструкции или их элементы, подвергающиеся непосредственному воздействию динамических, вибрационных или подвижных нагрузок;

- группа 2 – основные сварные конструкции и элементы, работающие при статических нагрузках на растяжение и конструкции группы 1 без сварных соединений;

- группа 3 - основные сварные конструкции и элементы, работающие при статических нагрузках на сжатие и конструкции группы 2 без сварных соединений;

- группа 4 – вспомогательные конструкции и конструкции группы 3 без сварных соединений.