Строительные стали и алюминиевые сплавы.

Строительные стали:

В зависимости от химического состава и механических свойств их делят на две основные группы:

1. Малоуглеродистая сталь обыкновенного качества, механические свойства которой зависят от содержания углерода.

2. Низкоуглеродистая сталь содержащая легирующие добавки, повышающие прочность, ударную вязкость, а так же стойкость против коррозии.

Основные химические компоненты сталижелезо и углерод. Обычное содержание углерода по весу 0, 1-0, 22%. При повышенном содержании углерода сталь становится прочнее, но она более хрупка и плохо сваривается. Кроме того сталь содержит основные и легирующие добавки и вредные примеси.

Основные добавки – это марганец и кремний. Марганец повышает прочность стали, незначительно уменьшая её пластичность. Кремний увеличивает прочность, но ухудшает свариваемость и делает сталь менее устойчивой против коррозии. В углеродистой стали обыкновенного качества марганца содержится до 0, 7%, а кремния до 0, 35%. В низко легированных сталях марганец является легирующей добавкой и его содержание достигает 2%. В качестве легирующих добавок применяют так же хром, никель, медь, молибден, ванадий.

Вредными примесями являются фосфор, сера, азот и кислород. Фосфор придает стали хрупкость при низких температурах и уменьшает её пластичность при нагревании. Сера делает сталь трещиноватой при высоких температурах. Содержание фосфора и серы в углеродистой стали обыкновенного качества не должно превышать соответственно 0, 045 и 0, 055%, а в низколегированных сталях 0, 035 и 0, 04%.

По способу приготовления стали бывают мартеловскими и кислородно-конверторными. Их изготавливают кипящими, спокойными и полуспокойными. Кипящую сталь сразу разливают из ковша в изложеницы; она содержит значительное количество растворённых газов. Спокойная сталь – это сталь выдержанная некоторое время в ковшах. При этом для поддержания температуры и поглощения из стали кислорода (раскисление стали) добавляют раскислители (кремний, алюминий). Спокойные стали имеют лучший состав и более однородную структуру, но дороже кипящих на 10-15%. Полуспокойная сталь получается при меньшем раскислении и занимает промежуточное положение между спокойной и кипящей.

Величины основных физических характеристик стали:

Плотность ρ =7850 кг/м³; модуль продольной упругости Е=2, 1*10⁵ М/Па.

Для строительных конструкций применяют в основном следующие стали:

1. сталь малоуглеродистую обыкновенного качества, марки ВСТ3; буква В указывает, что сталь поставляется одновременно по механическим свойствам и химическому составу.

Степень раскисления обозначается (КП – кипящая, ПС – полуспокойная, СП - спокойная), которые указываются после марки стали, например ВШТ 3 СП. При повышенном содержании марганца ставят букву Г, например ВСТ 3 Гпс. В зависимости от нормируемых показателей (химического состава, механических свойств и ударной вязкости) сталь делят на категории 1, 2, 3, 4, 5, 6, которые указывают после обозначения стали,

например ВСТ 3 ПС 5;

2. термически обработанную сталь марки СТ Т.

3. сталь низкоуглеродистую марок 14Г2, 10Г2С1, 15ХСНД. Первые две буквы в обозначении низколегированных сталей указывают содержание углерода в сотых долях %, буквами обозначают легирующие элементы (Г – марганец, С – кремний, Х – хром, Н – никель, Д – медь, А – азот, Ф – ванадий), цифра после буквы указывает содержание этого легирующего элемента в %, если оно превышает 1%.

Основная сталь – ст 3, из неё изготавливают большинство конструкций – балки перекрытий, строительные фермы, колонны промышленных и гражданских зданий. Для конструкций работающих при температуре ниже 30°С и особо тяжёлых условиях и для …. Конструкций следует применять спокойную сталь, а в остальных случаях – полуспокойную или кипящую сталь. Низколегированные стали обладающие повышенной прочностью применяют для конструкций испытывающих большие усилия, или непосредственное воздействие динамических нагрузок (например для подкр. балок). Применение этих сталей даёт существенную экономию металла. Повышенное сопротивление низколегированных сталей более дорогих, чем углеродистые обыкновенного качества, должно иметь технико-экономическое обоснование.

Алюминиевые сплавы:

Плотность алюминиевых сплавов равна в среднем 2700 ^кг /м³_, т.е. почти в три раза меньше, чем у стали, а прочность сплавов мало отличается от прочности стали. Деформации конструкций из алюминиевых сплавов значительно больше, чем деформации стальных конструкций. Для строительных конструкций применяют следующие сплавы: алюминия с магнием, называемые магналиями, марок АМГ6-М и АМГ61-М; алюминия с медью и магнием – дюралюмины марок Д1-Т и Д16-Т; алюминия с магнием и кремнием – авиали марок АВ-Т1, АД31-Т1 и др. Буква «М» после обозначения марки сплава обозначает отождествлённое состояние металла, а буква «Т» термическую обработку.

Магнилии обладают хорошей свариваемостью и высокой стойкостью против коррозии. Дюралюмины плохо свариваются и применяются в клёпаных конструкциях; эти сплавы имеют высокую прочность и наименьшую стоимость, но наименее стойки против коррозии, чем магналии. Сплав АВ-Т1, содержащий кроме магния и кремния медь, обладает пониженной стойкостью против коррозии. Дюралюмины и авиали применяют в термически уплотнённом состоянии, поэтому конструкции из них проектируют преимущественно клёпанными, т.к. нагрев при сварке существенно понижает прочность металла.

Коррозия стали и алюминиевых сплавов и меры борьбы с ней:

Коррозия – разрушение поверхности металлов, вызываемое электрохимическими процессами, происходящими в материале. В результате коррозии уменьшаются поперечные сечения и несущая способность элементов конструкции. Скорость коррозии выражается уменьшением толщены элементов конструкции в миллиметрах в течении одного года. Скорость коррозии зависит от степени агрессивности среды и от формы поперечных сечений конструкций. Скопление пыли на поверхности конструкции и периодическое её смачивание увеличивают скорость коррозии. В наилучших условиях находятся конструкции, хорошо продуваемые воздухом. Исследования показали, что самой высокой стойкостью против коррозии обладают элементы двутаврового сечения, расположенные вертикально, коррозируют сильнее, чем трубчатые, а элементы, расположенные горизонтально, ещё больше подвержены коррозии.

Очагами развития коррозии являются щели между элементами пакетов из листов и фасонных профилей. Для предохранения от коррозии стальные конструкции тщательно очищают и покрывают масляной краской.

Скорость коррозии алюминиевых сплавов меньше, чем стали в 5-10 раз. Наиболее опасным для алюминиевых сплавов щелочные растворы. Конструкции находящиеся на открытом воздухе, слабо поражаются коррозией. В обычных условия эксплуатации конструкции из алюминиевых

сплавов не нуждаются в защите от коррозии. Конструкции, находящиеся в среде высокой агрессивности, покрывают эмалями или лаками. Большую опасность представляют так же места соприкосновения алюминиевых сплавов с другими материалами (сталью, бетоном). Поэтому такие поверхности надо тщательно изолировать.

Преимущества и недостатки металлических конструкций:

Сталь, благодаря высоким механическим характеристикам и однородности структуры применяется в ответственных сооружениях, при больших пролётах и высотах зданий и сооружений, при повышенных нагрузках. Однако, из-за дороговизны и дефицитности материала стальные конструкции применяются в основном в тех случаях, когда они экономически значительно выгоднее железо-бетонных.

Стальные несущие конструкции применяются:

в одноэтажных производственных зданиях для стропильных конструкций при пролётах 30 метров и более;

колоннах высотой более 14, 4 метров;

при грузоподъёмности кранов 500 кН и более, или при их тяжёлом режиме работы.

В одноэтажных зданиях различного назначения (легкие решётчатые несущие конструкции при сетке колонн не менее 18× 18м). В многоэтажных зданиях (стальные каркасы зданий с нормативной длительной нагрузкой 3 до 1 мПа). В некоторых инженерных сооружениях (краны, эстакады) силосы для хранения материалов, которые нельзя содержать в железо-бетонных ёмкостях;

наземных резервуарах для хранения нефтепродуктов;

мостах, опорах ЛЭП.

В последние годы расширяется применение облегчённых стальных строительных конструкций. Они предназначены для цехов с лёгкими кровлями и стенами, т.е. таких, где применены новые чрезвычайно лёгкие утеплители, например пенопласт с массой 100 кг/м³ и где расход стали существенно снижается.

Работа стали показана на диаграмме растяжения:

Характерными для углеродистой стали Ст3 являются пределы пропорциональности δ …, текучести δ m и временное сопротивление δ в.

До достижения предельной пропорциональности сталь работает упруго и является деформациями Е и напряжениями δ. Существующая линейная зависимость, выражаемая законом Гука Е= δ /ε, где Е – модуль продольной деформации.

За пределом пропорциональности деформации растут быстрее напряжений, начинается пластичная работа стали, соответствующая образованию на диаграмме площадки текучести с постоянным напряжением. При дальнейшем растяжении напряжение опять увеличивается; и после достижения временного сопротивления начинается разрушение.

С38/23 -

С44/29 -

С46/33 - и т.д.

Предел текучести называется нормативным сопротивлением стали растяжению, сжатию и изгибу R^H(мПа). Умножая величину нормативного сопротивления на переходный коэффициент 0, 6, можно получить нормативное сопротивление среду R^Hср.

При расчёте конструкций пользуются величиной расчётного сопротивления, равного нормативному сопротивлению, делённому на коэффициент безопасности по материалам Km/

R=R^H/Km

Km=1, 1....1, 2