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 группеотносятся 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.
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 перерыв
Если образец загрузить до пластического состояния и затем снять нагрузку, то появятся остаточные деформации εост. 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.
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