Алюминиевые сплавы, их состав, свойства и особенности работы

Для строительных конструкций применяются алюминиевые сплавы с содержанием легирующих компонентов и примесей 5-7 % (технический алюминий с примесями до 1 % ввиду малой прочности применяется очень редко и только для декоративных и ограждающих элементов).

Алюминиевые сплавы разделяются на деформируемые (обрабатываемые давлением: прессованием, вытяжкой, прокаткой, штамповкой и т.д.), применяемые в строительных конструкциях, и на литейные, применяемые в основном в машиностроении.

Алюминиевые сплавы легируют марганцем, магнием, кремнием, цинком, медью, хромом, титаном или одновременно несколькими этими компонентами, в зависимости от чего система сплава получает наименование и марку с условным обозначением.

Алюминиевые сплавы поставляют в различных состояниях термической обработки и нагартовки (наклеп, вытяжка).

Технический алюминий обладает очень высокой коррозионной стойкостью, но малопрочен и пластичен.

Алюминиево-марганцевые и алюминиево-магниевые сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью, сравнительно высокой прочностью и хорошо свариваются. Многокомпонентные сплавы обладают средней и высокой коррозионной стойкостью, средними и высокими показателями прочности и могут применяться в сварных и клепаных несущих и ограждающих конструкциях.

Термическая обработка повышает прочностные характеристики сплавов в 1,3-1,5 раза. При сварке конструкций из термически обработанных сплавов происходит некоторое разупрочнение материала в зоне термического влияния, которое надо учитывать при расчете и конструировании сварных соединений. Термически не упрочняются сплавы марок АМг и АМц.

Чтобы повысить коррозионную стойкость, алюминиевые сплавы могут быть плакированными (покрытыми тонкой пленкой чистого алюминия при изготовлении полуфабриката).

Структура алюминиевых сплавов состоит из кристаллов алюминия, упрочненных легирующими элементами (легирующие элементы входят в твердый раствор с алюминием и упрочняют его). Особенно большое упрочнение сплава получается, если количество легирующего компонента больше максимально растворимого при обычной температуре, тогда компоненты выделяются в виде упрочняющих включений. Ввиду относительно малой прочности включений и прослоек между зернами под действием нагрузки происходят более плавные деформации, и, в отличие от малоуглеродистой стали, площадки текучести в сплавах не получается.

На рис. 1 приведены диаграммы работы некоторых алюминиевых сплавов на растяжение (там же для сравнения дана кривая для стали 3). Наиболее существенные отличия в работе алюминиевых сплавов и стали заключаются в меньшем угле наклона первоначальной прямолинейной части диаграммы алюминиевых сплавов, характеризующем модули упругости материалов (2,1∙10⁴ кН/см² для сталей и 0,71∙10⁴ кН/см² для алюминиевых сплавов), в отсутствии площадки текучести у алюминиевых сплавов, а также в меньшем относительном удлинении термически обработанных сплавов.

Рисунок 1

1-технический алюминий АД1М; 2- сплав 1915Т; 3- сталь 3

Механические свойства алюминиевых сплавов зависят не только от химического состава, но и от условий их обработки. Основное отличие работы алюминиевых сплавов от работы стали заключается в том, что они более деформативны, т. е. имеют меньшую жесткость. У алюминиевых сплавов модуль упругости при растяжении Е=0,7∙10⁴ кН/см², а модуль упругости при сдвиге G=0,27∙10⁴ кН/см² что почти в 3 раза меньше, чем у стали; поэтому при равных напряжениях прогибы алюминиевых конструкций в 3 раза больше. Коэффициент Пуассона m=0,3. На диаграмме растяжения алюминиевых сплавов нет площадки текучести. За предел текучести условно принимается напряжение s при котором относительная остаточная деформация достигает e=0,2 %. При температурах свыше 100 °С наблюдается некоторое снижение прочностных характеристик, а начиная примерно с 200 °С появляется ползучесть. Коэффициент температурного расширения алюминия =0.000023, что в 2 раза больше чем у стали. При пониженных температурах все механические показатели алюминиевых сплавов улучшаются. Ударная вязкость сплавов при нормальной температуре ниже чем у стали (около 3,0 кг∙м/см²), и почти не снижается при отрицательных температурах.

Изменение механических свойств алюминиевых сплавов при старении происходит более интенсивно, чем у стали, и увеличение пределов текучести и прочности значительно выше. Увеличение прочности алюминиевых сплавов при старении учитывают при назначении их расчетных сопротивлений. Расчетные формулы для алюминиевых конструкций при различных силовых воздействиях имеют такой же вид, как и для стальных конструкций. Значения различных коэффициентов принимают в зависимости от марок сплавов по нормам проектирования алюминиевых конструкций СНиП II-24-74.

К достоинствам алюминиевых сплавов можно отнести: относительно высокую прочность при малой плотности самого материала; высокую технологичность при обработке прессованием, прокаткой или ковкой, позволяющую изготовлять изделия сложной формы; высокую стойкость против коррозии, высокие механические характеристики при отрицательных температурах; отсутствие искрообразования при ударных воздействиях.

Недостатки алюминиевых сплавов:относительно небольшой модуль упругости; высокий коэффициент температурного расширения; относительная сложность выполнения соединений; дефицитность и пока ещё высокая стоимость; малая огнестойкость.

Профили из алюминиевых сплавов для алюминиевых конструкций получают прокаткой, прессованием или гнутьем. Прокатывают только плоские профили: листы полосы, ленты. Прессованные профили могут быть самого различного очертания, поперечное сечение их должно вписываться в круг диаметром матрицы размером 320 мм (имеются отдельные прессы с диаметром матрицы 530мм). Эти профили изготавливают на специальных прессах. Цилиндрическая, нагретая примерно до 400°С заготовка из алюминиевого сплава продавливается через стальную матрицу с отверстием по форме сечения профиля. Матрица удерживается держателем. Прессоваться могут как сплошные так и пустотелые (трубчатые) профили.

Гнутые профили изготавливают путём гибки тонких листов или лент на роликогибочных станах или гибочных прессах.

Основы расчета металлических конструкций. Расчетная схема, опорные за-крепления элементов. Предельные состояния. Группы предельных состоя-ний. Расчет конструкций по допускаемым напряжениям и сопоставление его с расчетом по предельным состояниям.

Цель и назначение расчета конструкций – проверка прочности, устойчивости и жесткости предварительно намеченной конструктивной схемы сооружения, позволяющая уточнить размеры и обеспечить надежность сооружения при наименьших затратах металла. Расчёт сооружений и их конструктивных элементов производится на основе методов сопротивления материалов и строительной механики. Основной целью этих методов является определение внутренних усилий, которые возникают в конструкциях под действием приложенных нагрузок.

Расчет начинают с составления расчетной схемы сооружения, временно отвлекаясь от действительной формы сечения элементов. Опорные закрепления элементов наделяют, при этом некоторыми теоретическими свойствами (шарнирные опоры, опоры с упругими и жесткими защемлениями и т. п.). Определив по принятой расчетной схеме усилия в элементах, производят подбор сечений, проверяют несущую способность и конструируют закрепления так, чтобы удовлетворить поставленным задачам. Иногда бывают необходимы более точные методы определения напряжений с учетом развития пластических деформаций. Однако математическая сложность этих методов вынуждает часто применять в формулах ряд коэффициентов, значения которых приводятся в таблицах. Согласно СНиП II-23-81*, строительные конструкции рассчитывают на силовые другие воздействия по предельным состояниям.

За предельное состояние принимается такое состояние конструкции, при котором она перестает удовлетворять предъявленным к ней эксплуатационным требованиям, т.е. либо теряет способность сопротивляться внешним воздействиям, либо получает недопустимую деформацию или местное повреждение.

Группы предельных состояний

Первая группа – по исчерпанию несущей способности (прочности, устойчивости или выносливости).

Вторая группа – по пригодности к нормальной эксплуатации в соответствии с заданными технологическими или бытовыми условиями.

Ко второй группе предельных состояний относятся состояния затрудняющие нормальную эксплуатацию или снижающие долговечность в следствии появления недопустимых перемещений колебаний и др. Расчет конструкций по предельным состояниям направлен на предотвращение наступления любого из предельных состояний при возведении сооружения в течение всего срока службы. Граничное условие первой группы предельных состояний:

,

где - наибольшее расчетное усилие в элементе конструкций от суммы расчетных нагрузок наиболее не выгодной комбинации;

- предельное усилие, которое может воспринять рассчитываемый элемент(зависит от материала и размеров элемента).

Граничное условие второй группы предельных состояний :

f f_u,

где f – деформация или перемещение конструкции (зависит от нагрузок, материала и системы конструкций);

f_u – предельных деформация или перемещение (зависит от значения конструкции и устанавливается СНиП).

9. Нагрузки, действующие на сооружение. Виды нагрузок. Нормативные и расчетные нагрузки.

В процессе эксплуатации конструкция подвергается воздействию различных нагрузок (собственная масса, технологические нагрузки), а также атмосферном воздействии и др.

Нагрузки,отвечающие условиям нормальной эксплуатации, называются нормативными F_n. Нормативные нагрузки устанавливаются СНиП 2.01.07-85* «Нагрузки и воздействия».

В процессе работы конструкции возможны некоторые превышения нормативных нагрузок из за случайных отступлений от условий нормальной эксплуатации.

Наибольшая возможная нагрузка, которая может случайно появиться за время существования конструкции, называется расчетной F. Целостность конструкции должна быть обеспечена на всем протяжении ее работы, поэтому расчет конструкции по несущей способности производиться на расчетные нагрузки. Расчетную нагрузку определяют как произведение нормативной нагрузки на коэффициент надежности по нагрузке.

;

Коэффициенты надежности по нагрузкам для различных нагрузок изучают статическими методами, они приведены в СНиП.

В зависимости от продолжительности воздействия на конструкцию нагрузки делят на постоянные и временные. Временные нагрузки подразделяют на длительные, кратковременные и особые.

Постоянными нагрузками называют такие, которые действуют на конструкцию постоянно: собственная масса строительных конструкций, давления грунта, воздействие предварительного напряжения конструкций и т. п.

Длительными нагрузками называют такие, которые воздействуют на конструкцию продолжительное время (но могут и отсутствовать): масса технологического оборудования, давление жидкостей и газов в резервуарах и трубопроводов масса складируемых грузов и.т.д.

Кратковременными нагрузками называют нагрузки, действующие непродолжительное время: снег, ветер, подвижные краны, нагрузки возникающие при перевозке и монтаже, ремонтах и испытаниях конструкций, температурные климатические воздействия и т.д.

Особые нагрузки – это нагрузки, которые могут появиться в исключительных случаях: сейсмические воздействия, аварийные нарушения технологического процесса, резкие просадки грунтов. На конструкцию или сооружение может воздействовать одновременно несколько нагрузок. Чем большее число временных нагрузок воздействует на конструкцию, тем меньше вероятность совпадения их наибольших значений, а конструкция, рассчитанная на простую суммарную комбинацию всех нагрузок, будет иметь излишний запас прочности. Поэтому конструкции рассчитывают на расчетные сочетания нагрузок. СНиП 2.01.07 – 85 установлены два расчетных сочетания нагрузок:

o Основные сочетания, состоящие из постоянных, длительных и кратковременных нагрузок;

o Особые сочетания, состоящие из постоянных, длительных, кратковременных и одной из особых нагрузок.

Если в основноесочетание входят две (или более) кратковременные нагрузки, то расчетные значения этих кратковременных нагрузок умножают на коэффициент сочетания n_c=0,9 (если в сочетании нагрузок участвует только одна кратковременная нагрузка, значение ее суммируют с постоянной и длительными нагрузками без снижения, т. е. n_c=1)

При составлении особых сочетаний нагрузок расчетные значения суммарных кратковременных нагрузок умножают на коэффициент сочетания при этом особая нагрузка должна приниматься без снижения, т. е. n_c=1.