книги / Строительные конструкции
..pdfно снизить массу конструкций и повысить их коррозион ную стойкость используют алюминиевые сплавы.
Свойства стали обусловлены ее химическим составом и технологией изготовления. Углерод повышает прочность стали, но ухудшает пластичность и свариваемость, поэ тому для строительных конструкций применяют малоуг леродистые стали с содержанием углерода до 0,22%.
Повышение прочности стали без существенного сни жения ее пластичности достигается введением легирую
щих добавок — марганца, |
кремния, |
меди, никеля, |
хрома |
|
и др. Такие стали называют низколегированными. |
|
|||
Увеличение |
прочности |
для некоторых видов |
стали |
|
достигается термическим упрочнением. |
|
|||
На свойства |
стали оказывают |
влияние различные |
примеси: сера вызывает хрупкость при повышенных тем пературах (красноломкость), фосфор — при пониженных (хладноломкость). Содержание вредных примесей стро го ограничивают.
По технологии изготовления малоуглеродистая сталь может быть кипящей (кп), полуспокойной (пс) и спокой ной (сп).
Сталь называют кипящей, если ее сразу же (без вы держки) разливают в изложницы; при этом часть газов остается в затвердевшем металле в виде газовых пузырь ков, которые снижают его качество.
Спокойные (и в несколько меньшей степени полуспокойные) стали перед разливкой определенное время вы держивают, в результате чего устраняется возможность образования газовых пузырьков, а следовательно, повы шается надежность работы стали в конструкциях, осо бенно при динамических нагрузках и в условиях низких
температур. |
|
|
|
|
|
|
Низколегированные |
стали выплавляют |
только |
спо |
|||
койными. |
|
|
|
|
|
|
Ударная |
вязкость стали |
характеризует |
ее хрупкость |
|||
и оценивается работой, |
которую |
надо совершить |
для |
|||
разрушения |
специального |
образца |
с надрезом при |
его |
испытании на удар. Чем больше ударная вязкость стали, тем меньше хрупкость.
Прочность и деформативность стали устанавливают испытаниями образцов на растяжение.
На рис. IX. 1 приведена зависимость между напряже ниями о и деформациями е для малоуглеродистой стали (кривая 1) и для сталей высокой прочности (кривая 2).
141
Прочностными характеристиками являются предел теку чести ат и временное сопротивление разрыву овр.
Для сталей, у которых график о—е соответствует кри вой 2 на рис. IX. 1, в качестве условного предела текуче сти принимают напряжения, при которых возникают ос
таточные удлинения 0,2% (схо.г).
До напряжений, близких к пределу текучести, зависи мость между напряжениями и деформациями определя ется законом Гука:
а = еЕ,
где Е — модуль упругости, равный 2 100 000 кгс/см2 (210 000 МПа).
Относительное удлинение при разыве ер дает возмож ность оценить пластичность стали.
Металлургические заводы поставляют малоуглероди стые стали с гарантией только механических свойств (группа А), с гарантией химического состава (группа Б), с гарантией механических свойств и химического состава (группа В), последнюю, как правило, и применяют для ответственных конструкций.
Низколегированные стали всегда поставляют по груп пе В.
Основные характеристики сталей приводятся в соот ветствующих ГОСТах: для малоуглеродистых сталей в ГОСТ 380—71 *, для низколегированных в ГОСТ 19281— 73 и 19282—73 и др.
Рис. IX.1. Диаграмма зависи мости между напряжениями а и деформациями е для образ ца из малоуглеродистой ста ли / и из твердой стали 2
В наименовании марки стали по ГОСТ 380—71* указывается вначале груп па поставки (Б или В), за тем название стали (СтЗ, 18Г), способ изготовления (кп, сп или пс); последняя цифра обозначает катего рию по ударной вязко сти, например, ВСтЗпсб, В18Гпс5, ВСтЗкп2 и т. д.
Марки низколегирован ных сталей имеют вначале число, обозначающее сотые доли процента содержания углерода, а затем буквы —
142
названия легирующих добавок: Г — марганец, С — крем ний, Д — медь, Н — никель, X — хром и т.д. Если содер жание какой-либо добавки превышает 1%, то в обозна чении марки после соответствующей буквы ставят число, обозначающее процентное содержание этой добавки, (с округлением до целого). Например, 15ХСНД — сталь, содержащая 0,15% углерода и легирующие добавки хро ма, кремния, никеля, меди, причем содержание каждой добавки не превышает 1%; 14Г2 — сталь, содержащая 0,14% углерода, легированная марганцем до 2%.
Строительными нормами и правилами СНиП Н-В. 3-72 все стали в зависимости от механических свойств при растяжении подразделяют на классы прочности (табл. IX.1), которые для краткости называют классами' стали. В обозначении класса после буквы С стоит дробь, числитель которой указывает минимальное (по ГОСТу) значение временного сопротивления авр, кгс/мм2, а зна менатель— минимальное значение предела текучести стт, кгс/мм2.
ТАБЛИЦА IX.1. КЛАССЫ СТАЛИ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИИ
|
Механические свойства при растяжении |
||
Класс стали |
авр’ |
ат' |
Относительнее удлине |
|
кгс/см* (МПа) |
кгс/см* (МПа) |
ние Ер,% |
|
|
не ниже |
|
С 38/23 |
3800 (380) |
2300 (230) |
25 |
С 44/29 |
4400 (440) |
2900 (290) |
21 |
С 46/33 |
4600 (460) |
3300 (330) |
21 |
С 52/40 |
5200 (520) |
4000 (400) |
19 |
С60/45 |
6000 (600) |
4500 (450) |
16 |
С 70/60 |
7000 (700) |
6000 (600) |
12 |
С 85/75 |
8500 (850) |
7500 (750) |
10 |
Каждому классу соответствуют несколько марок сталей. В СНиП Н-В. 3-72 даны указания по применению различных марок сталей для стальных конструкций зда ний и сооружений в зависимости от вида конструкций и условий их эксплуатации (группы I—IX) и расчетной отрицательной температуры. Так, в сварных конструкци ях перекрытий и покрытий (группа III) при ^ —30°С для класса стали С 38/23 могут быть применены марки
и з
ВСтЗпсб, ВСтЗГпсЗ, В18Гпс5; для класса С 44/29 — СтТпс; для класса С 46/33 — 14Г2 и т. д.
Марки стали для конструкции в пределах каждой группы (для данного диапазона расчетных температур) выбирают на основании технико-экономических расчетов.
Если стальные конструкции эксплуатируются в усло виях агрессивной среды, их необходимо предохранять от коррозии специальными защитными покрытиями.
В качестве нормативных сопротивлений стали R" при растяжении, сжатии и изгибе принимают браковочный минимум предела текучести (для сталей, имеющих на диаграмме а —е площадку текучести) или браковочный минимум временного сопротивления, если-площадки те кучести на диаграмме нет. Расчетное сопротивление при растяжении, сжатии, изгибе
Я = Я“/Лв.
где кб — коэффициент безопасности по материалу.
Если нормативным сопротивлением является предел
текучести, Аб= 1,1— 1,2, если |
временное сопротивление, |
||||
то Аб= 1,45— 1,6. |
|
|
|
|
|
Расчетное сопротивление срезу и смятию торцов по |
|||||
лучают умножением |
R на коэффициент перехода: /?с„ = |
||||
=0,6/?, /?см.т=1,5/?. |
|
|
|
|
|
ТАБЛИЦА IX.2. РАСЧЕТНЫЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ |
НЕКОТОРЫХ |
||||
КЛАССОВ ПРОКАТНОЙ СТАЛИ |
|
|
|||
|
Расчетные сопротивления, |
кгс/см* (МПа) |
|||
Вид сопротн |
|
стали классов |
|
||
|
С 38/23 | |
С 44/29 |
С 46/33 | |
С 52/40 |
|
Растяжению, сжатию, из 2100 (210) |
г |
2900 (290) |
3400 (340) |
||
2600 (260) |
|||||
гибу R |
|
|
|
|
|
Срезу RCp |
1300(130) |
1500(150) |
1700(170) |
2000 (200) |
Расчетные сопротивления стали растяжению для кон струкций, которые могут эксплуатироваться и после до,- стижения металлом предела текучести (например, для труб и цилиндрических резервуаров, работающих от внутреннего давления на растяжение), приняты более высокими: для С 38/23 — 2600 кгс/см2 (260 М Па), С 44/29 — 3000 кгс/см2 (300 МПа) и т. д.
144
Для |
некоторых элементов конструкций приведенное |
в табл. |
IX.2 значение R умножают на коэффициент ус |
ловий работы /п < 1 . Для сплошных балок и сжатых эле ментов ферм перекрытий общественных зданий при весе перекрытий, превышающем временную нагрузку, для колонн жилых и общественных'зданий и опор водонапор ных башен т = 0,9, для сжатых элементов из одиночных
уголков, прикрепляемых одной полкой, т = 0 ,7 5 и |
т. д. |
Прокатную сталь промышленность выпускает в |
виде |
листов (ГОСТ 82—70), полос (ГОСТ 103—76), двутавров (ГОСТ 8239—72*), швеллеров (ГОСТ 8240—72*), рав нополочных и неравнополочных уголков (ГОСТ 8509—72 и ГОСТ 8510—72), труб (ГОСТ 8732—70*) и др. В сор таментах прокатных профилей указаны все основные характеристики сечений: размеры, площадь, моменты инерции, моменты сопротивления, радиусы инерции и масса одного погонного метра, кг. Сортамент некоторых профилей см. в прил. X и XI.
При проектировании конструкций нужно стремиться применять ограниченное число различных профилей.
А л ю м и н и |
е в ы е с п л а в ы |
могут иметь в своем со |
ставе марганец |
(АМц), магний |
(АМг), магний и кремний |
(АВ и АД), медь и магний (Д ). Благодаря этим легиру
ющим компонентам |
прочность |
сплавов сопоставима с |
||
прочностью стали, |
тогда |
как |
их объемная |
масса втрое |
меньше (у« 2 6 0 0 кг/м 3). |
Вместе с тем |
алюминиевые |
сплавы значительно дороже стали и имеют высокую де-
формативность: |
модуль |
упругости £ = 7 1 0 000 |
кгс/см2 |
(71000 М Па), |
т. е. втрое |
меньше, чем у стали. |
Все это |
определяет специфическую область их применения (см. Введение).
Профили из алюминиевых сплавов получают прокат кой (листы, полосы) и прессованием: прбдавливанием нагретых заготовок через матрицу. Прессованием изго товляют уголки, швеллеры, двутавры (по специальному сортаменту), а также трубы и коробчатые профили. Пол ки уголков, швеллеров и двутавров из алюминиевых сплавов имеют по концам утолщения (бульбы), которые повышают местную устойчивость полок.
Характеристики алюминиевых сплавов и их расчетные сопротивления приводятся в СНиП (прил. 1, п. 8).
145
§ IX.2. СОЕДИНЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ
Сварные соединения
Элементы стальных конструкций соединяют в основ ном электродуговой сваркой плавящимися электродами: между изделием и электродом возбуждается электриче ская дуга, расплавляющая электрод и изделие, металлы которых в жидком состоянии взаимосмешиваются и за стывают при охлаждении как единое целое.
Сварка может быть ручная и механизированная: ав томатическая и полуавтоматическая. Чтобы защитить расплавленный металл от вредного воздействия окружа ющего воздуха, электроды при ручной сварке снабжают специальными обмазками, которые образуют на поверх ности шва защитную корку шлака (электроды тйпов Э42, Э42А, Э50А и др.). При механизированной сварке электрод не имеет обмазки, а защита шва осуществляется слоем флюса (гранулированного ш лака), который засы пается сварочным автоматом перед электродом. В пос леднее время находит применение газоэлектрическая сварка с защитой шва струей углекислого газа. Рекомен дуемые сварочные материалы (марки электродов, флю сов, сварочной проволоки) для каждого класса стали в зависимости от группы конструкций, температуры и вида сварки приведены в СНиП II-B.3-72.
Алюминиевые сплавы сваривают в струе аргона. При толщине элементов более 6 мм используют плавящиеся электроды, а при меньшей толщине — неплавящиеся, ко торые только возбуждают электрическую дугу, а для соз дания шва между изделием и электродом вводят плавя щуюся (присадочную) проволоку.
По конструктивному признаку швы разделяют на стыковые (рис. IX .2,а), которыми соединяют элементы, расположенные в одной плоскости (наплавленный ме талл заполняет зазор между ними), и угловые (валино вые), накладываемые в угол, образованный элементами, расположенными в разных плоскостях (рис. IX. 2,6). Применение стыковых швов дает возможность получить простое и качественное соединение элементов, однако при толщине стыкуемых элементов 6 > 8 мм требуются до полнительные затраты на разделку кромок. Нормальный
146
Рис. IX.2. Типы сварных швов и сварных соединений
угловой шов имеет вид равнобедренного треугольника усиленного наплывом в 0,1 размера его катета Лщ.
За расчетную толщину стыкового шва принимают толщину соединяемых элементов б. Расчетная толщина углового шва составляет {5йш, где {5— коэффициент, за висящий от вида сварки: для ручной сварки {5=0,7, для полуавтоматической и автоматической в зависимости от
числа |
проходов {$=0,7— 1. Расчетную длину сварного |
шва |
принимают равной его полной длине I, уменьшен |
ной на 1 см, учитывая возможный непровар по концам: /ш =/— 1 см.
Сварные соединения выполняют, четырех основных ти пов: 1) встык, когда соединяемые элементы расположены в одной плоскости и сварены стыковым швом (рис. IX.
2 ,в); 2) встык с накладками, |
которые приваривают |
угло |
выми швами к соединяемым |
элементам (рис. IX. |
2 ,г); |
3) внахлестку, когда стыкуемые элементы непосредствен но накладывают_друг на друга и сваривают угловыми швами (рис. IX. 2,д ), и 4) втавр, когда стыкуемые эле-1
1 Для конструкций из высокопрочных сталей, испытывающих воздействие динамических и вибрационных нагрузок и работающих при низких температурах, валнковый шов выполняют пологим — от ношение размеров катетов 1: 1,5.
147
ТАБЛИЦА IX.3. РАСЧЕТНЫЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ СВАРНЫХ ШВОВ Яс®*«гс/см» (МПа)
00
|
|
|
|
|
|
ДЛЯ |
|
Вид шва |
|
Напряженное состояли |
Условное |
|
стали 1класса |
|
|
|
обозначение |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
С 38/23 |
С 44/29 |
С 46/33 |
С 52/40 |
Стыковой |
Сжатие |
*сСВ |
2100 (210) |
2600 (260) |
2900 (290) |
3400 (340) |
|
|
Растяжение при ручной |
RCp |
1800 (180) |
2200 (220) |
2500 (250) |
— |
|
|
и |
полуавтоматической1 |
|
|
|
|
|
|
сварке |
|
|
|
|
|
|
|
Срез |
ПСВ |
1300(130) |
1500(150) |
1700(170) |
2000 (200) |
|
|
^ср |
||||||
Угловой |
|
|
R$■ |
1500(150) |
1800(180) |
2000 (200) |
2200 (220) |
1 При автоматической, полуавтоматической и ручной сварке с применением физических методов контроля швов (рентген, ультразвук и т. д.) R£в = Я£в
менты примыкают друг к другу под углом и свариваются уг ловыми швами (рис. IX. 2, е).
Прочность сварных швов характеризуется их расчет ным сопротивлением (табл. IX. 3).
Стыковые швы рассчитывают по формуле
- Г 7 </?СВ; |
4IX.1) |
1т О |
|
где N — расчетная продольная сила; ReB— расчетное сопротивление стыкового шва; /ш— расчетная длина шва; б — расчетная толщина ш ва.
Угловые швы — по формуле
N |
(IX.2) |
< дсув, |
где рЛш— расчетная толщина углового шва; RcyB— расчетное со*
противление углового шва.
Пример IX. 1. Требуется рассчитать соединение встык с накладками (см. рис. IX.2, г) и определить требуемую длину накладок /я Сталь класса С 38/23, толщина накладок 8, ширина 160 мм. Расчетное рас тягивающее усилие N=80 тс=800 кН.
Решение: находим по табл. IX.3: /?“ = 1500 кгс/см2. Толщину
швов примем равной толщине накладок: Лш=0,8 см. Определим тре буемую длину швов на полунакладках из формулы (IX.2) при р= 0,7:
N |
80 000 |
(IX.3) |
/ш =■ |
= 94 см. |
|
/?У° 0,7АЦ |
1500-0,7.0,8 |
|
Так как накладок две, то на каждой из них /ш = 94/2 = 47 см.
При ширине накладки 16 см требуемая длина швов, располо женных вдоль полунакладки, составит (47—16)/2=15,5 см, а с уче том непровара по концам: 15,5+1 = 16,5 см.
При зазоре между стыкуемыми листами, равном 1 см, полная длина накладок составит:
/„ = 2-16,5+1 =34 см.
Заклепочные и болтовые соединения
Заклепки (рис. IX.3, а) имеют ограниченное при менение. Их используют для соединения элементов кон струкций, испытывающих динамические воздействия или выполненных из стали и алюминиевых сплавов, кото рые плохо свариваются. Болты (рис. IX.3, б) применяют главным образом для монтажных соединений конструк ций. Болты, изготовленные штамповкой прокатйых прут-
149
|
|
ков, |
называют |
болта |
||||
|
|
ми |
нормальной |
|
точ |
|||
|
|
ности, или черными, а |
||||||
|
|
выточенные по диамет |
||||||
|
|
ру отверстия на токар |
||||||
|
|
ном |
станке — болтами |
|||||
|
|
повышенной |
точности, |
|||||
|
|
или |
чистыми. |
|
|
|
||
|
|
Отверстия |
для |
за |
||||
Рис. 1Х.З. Схемы заклепочных |
и |
клепок |
и болтов |
могут |
||||
быть |
продавлены |
на |
||||||
болтовых соединений |
|
|||||||
J —срез; 2 —смятие |
|
специальных |
прессах |
|||||
|
|
(группа |
С) |
или |
выс |
верлены (групппа В). Сверленые отверстия обеспечи вают более качественное соединение, однако стоимость их выше. Как правило, заклепки и черные болты ставят в продавленные отверстия, а чистые болты — в сверле ные.
По линии сопряжения соединяемых элементов за
клепки и болты |
работают на срез, а по боковым |
поверх |
||
ностям — на смятие (рис. IX.3, в, г). |
Площадь |
среза |
||
равна площади |
поперечного |
сечения |
заклепки (болта), |
|
площадь смятия |
принимают |
равной |
диаметру |
заклеп |
ки (болта) d, умноженному на наименьшую суммарную толщину элементов 26, сминаемых в одном направле нии.
Заклепки и болты рассчитывают по следующим фор мулам:
на срез
N |
<ЯСР» |
(IX .4) |
|
ппсР ■nd? |
|||
|
|
на смятие |
|
|
N |
(IX.5) |
|
ndZ6 < Ясм. |
||
|
В этих формулах N — расчетная продольная сила, действующая на соединение; п — число заклепок (болтов) в соединении; яСр — число плоскостей среза одной заклепки (болта); Rcр и RCu — расчетные со противления соответственно срезу и смятию, которые зависят от марки стали заклепок (болтов) и соединяемых элементов, а также от способа образования отверстий (группа С или В).
Эффективным методом соединения элементов метал лических конструкций являются также соединения на
150