Выбор сталей для сварных конструкций
Выбор стали зависит от условий эксплуатации конструкции, тех критериев работоспособности и долговечности, которые оказались определяющими при выборе сечений, а также специальных требований, связанных с особенностями конструкции. Кратко перечислим связь критериев работоспособности со свойствами стали.
1. В условии прочности (в смысле ограничения пластических деформаций, п. 7.2) фигурирует предел текучести. Следовательно, выбор более прочной стали обеспечит выполнение условия прочности при меньшей металлоемкости, но большей стоимости стали. Если конструкция подвергается тепловым воздействиям, то необходимо учитывать теплостойкость стали.
2. Сопротивление хрупкому разрушению зависит от свойств материала и требует выбора стали, сохраняющей пластичность при самых низких температурах эксплуатации (п. 7.3).
3. Условие жесткости накладывает ограничение на прогиб конструкции (гл. 8). Прогиб зависит от модуля упругости, который одинаков для всех сталей.
4. Сопротивление усталости для сварных конструкций не зависит от механических свойств стали (п. 10.2.1).
5. Критические напряжения в условии устойчивости (общей и местной) связаны только с модулем упругости стали, следовательно, не зависят от ее марки и прочностных характеристик.
6. Сопротивление коррозионному повреждению зависит от химического состава стали, однако основным способом защиты являются конструктивно-технологические мероприятия (п. 1.3).
Таким образом, выбор марки стали влияет только на выполнение условий прочности и сопротивления хрупкому разрушению. Что касается выбора стали из условия прочности, то решение этого вопроса во многих случаях имеет в основном экономическое значение. Прочность большинства конструкций можно обеспечить, изготавливая их почти из любой стали. Поэтому эффективность снижения металлоемкости за счет применения более прочной и, следовательно, более дорогой стали в каждом конкретном случае должна быть подтверждена экономическим анализом, в котором учитываются специфика конструкции, фактические цены на материал, затраты на производство и пр. Наиболее эффективно применение сталей высокой прочности для мобильных кранов легкого режима работы со стреловой системой большого вылета, а также для конструкций, которые в значительной степени загружаются собственным весом.
Наибольшее значение выбор сталей имеет для обеспечения теплостойкости и хладостойкости конструкции. Склонность стали к хрупкому разрушению растет с понижением температуры эксплуатации и увеличением толщины проката. Применение сталей для конструкций грузоподъемных машин нормировано. Некоторые стали, допущенные к применению для крановых металлических конструкций нормативными документами (РД 22-16-2005), указаны в табл. 12.1.
Таблица 12.1 Стали, допущенные к применению для крановых металлических конструкций в виде листового горячекатанного проката (выборка из РД 22-16-2005)
|
Примечание. ТО — сталь поставляется в термообработанном состоянии, после нормализации. |
В европейских нормах на стальные конструкции CEN/ TS13001-3-1:2004 принята балльная система определе
ния требований к хладостойкости сталей, выпускаемых в Евросоюзе. Учитываются четыре основных фактора, способствующих возникновению хрупкого разрушения: температура эксплуатации, механические свойства стали, толщина проката, концентрация напряжений. Степень реализации каждого фактора в проектируемой конструкции оценивается некоторым количеством баллов (табл. 12.2).
В зависимости от полученной суммы баллов ; назначается температура испытаний на ударную вязкость, при которой должно быть гарантировано значение работы удара
:
Следует отметить, что на образцах типа 11 по ГОСТ 9454 соответствует значению
. По данной системе для типичной листовой конструкции из
стали 09Г2С, эксплуатируемой при температуре до -40 °С,
получится баллов, следовательно, ударная вязкость
должна быть обеспечена при температуре 0 или -20 °С.
Сортамент проката
Сортаментом проката называют ряд однотипных профилей, характеризуемых размерами, формой, погонной массой и пр. Для изготовления конструкций используютпрокат общего назначения из различных марок сталей. В основном применяют листовой и широкополосный прокат, из которого с помощью газовой, плазменной или лазерной резки, а также сварки и гибки можно получить конструкции любых форм и размеров. Листовой прокат выпускается толщиной от 4 до 160 мм, шириной до 3800 мм в листах длиной 6-12 м. Тонколистовой прокат толщиной до 12 мм поставляется в рулонах (ГОСТ 19903, ГОСТ 19904). Широкополосный прокат представляет собой прокатную полосу с ровными краями толщиной от 6 до 60 мм и шириной от 200 до 1050 мм (ГОСТ 82). Для настилов предназначен рифленый лист (ГОСТ 8568).
Фасонным прокатом называют двутавры, швеллеры, уголки. Двутавровые балки изготавливают в виде обыкновенного профиля (ГОСТ 8239) с полками переменной толщины высотой от 100 до 600 мм и с параллельными гранями полок высотой до 1000 мм (ГОСТ 26020). Швеллеры — высотой от 50 до 400 мм с наклонными и параллельными гранями полок (ГОСТ 8240). Уголки равнополочные и неравнополочные имеют размер полки от 20 до 250 мм (ГОСТ 8509, ГОСТ 8510). Для устройства подвесных путей применяют двутавры типа М (ГОСТ 19425), имеющие более толстую стенку и более узкие и толстые полки. Фасонные профили имеют такие параметры сечения, что местная устойчивость их полок и стенок гарантированно обеспечена при максимальных напряжениях, допустимых по условию прочности при общем изгибе и сжатии, и поэтому не требует дополнительной проверки (п. 9.4).
Стальные трубы могут быть электросварные диаметром до 1420 мм и толщиной стенки до 16 мм (ГОСТ 10704) и горячекатаные диаметром до 550 мм и толщиной стенки до 75 мм (ГОСТ 8732). Весьма перспективными являются замкнутые сварные и несварные прямоугольные профили.
Гнутые профили могут быть стандартными, швеллерного (ГОСТ 8278), С-образного (ГОСТ 8282), Z-образного, углового сечений или изготавливаться для конкретной конструкции. Их производят из листа или полосы толщиной не более 8 мм. Гнутые профили имеют меньший погонныйвес, чем прокатные профили той же высоты, но и меньший момент инерции. Поэтому их удобно использовать для вспомогательных, слабонагруженных элементов.
Для несущих элементов используется прокат толщиной не менее 4 мм. Это объясняется технологическими требованиями удобства сварки, необходимостью иметь запас толщины на случай коррозионного повреждения. Кроме того, элементы конструкции с более тонкими стенками могут быть легко повреждены при транспортировке и монтаже.
Для отдельных элементов используется сортовой прокат, квадратный и полосовой, а также круг. Для создания опорных путей используют рельсы железнодорожные, узкой и широкой колеи (ГОСТ 6368, ГОСТ 7173, ГОСТ 7174, ГОСТ 8161), и крановые (ГОСТ 4121).