книги из ГПНТБ / Жербин М.М. Высокопрочные строительные стали (характеристики, область применения, расчет и проектирование)

Подставив значение строительного коэффициента конструкции из высокопрочной стали (IV. 4), получим

Пользуясь этой формулой, можно оценить экономию веса, по-

'лучаемую за счет применения высокопрочных сталей в различ­ ных конструктивных элементах.

Экономия стали в центрально растянутых стрежнях. При ис­ пользовании высокопрочных сталей в центрально растянутых элементах достигается наибольший экономический эффект в свя­ зи с тем, что их высокое расчетное сопротивление используется полностью независимо от формы сечения профиля.

Коэффициент снижения веса для центрально растянутого стержня определяется по формуле

стали и длина стержня; —■коэффициент неточностей при подборе сечения,

зависящий от градации сортамента [29, 30]. Если принять, что для конструкций из стали СтЗ и высокопроч­

ной сортамент профилей будет одинаковым, коэффициент i])„ при средней градации последнего —7% равен 1,035. Однако для ма­ лых сечений градация больше, чем для крупных. Поэтому, с уче­ том того, что сечения стержней из высокопрочных сталей меньше,

4н отношение |^ з = 1.05.

Ѵн На основании приведенных .зависимостей экономия, получа­

емая от применения высокопрочных сталей в стержнях из угол­ ков, труб, открытых и замкнутых гнутых профилей, представлена на рис. IV. I. При анализе величина строительного коэффициента принята равной: для уголков— 1,05; труб и замкнутых гнутых профилей— 1,03; открытых гнутых профилей с планками— 1,12.

Экономия в весе с увеличением прочности стали по сравне­ нию со сталью СтЗ возрастает по параболическому закону.

За счет использования в стержнях стали класса С85/75 можно получить снижение веса на 63—79% по сравению со сталью СтЗ, в зависимости от конструктивного оформления элемента.

93

Экономия стали в центрально-сжатых стержнях. Эффектив­ ность применения высокопрочных сталей в центрально сжатых стержнях снижается по сравнению с растянутыми за счет влия­ ния продольного изгиба, которое может быть компенсировано применением тонкостенных гнутых и трубчатых профилей с высо­ кими радиусами инерции.

При технико-экономических сравнениях площадь сечения цен­ трально сжатого стержня может быть определена по формуле:

где N '■— усилие, действующее на стержень;

ß— коэффициент формы сечения [33];

р— коэффициент приведения длины.

Вформуле (IV. 7) первый член представляет собой площадь центрально растянутого стержня, второй — дополнительную пло­ щадь для восприятия продольного изгиба. Дополнительная пло­ щадь зависит от формы сечения и расчетной длины стержня. Коэффициент ß зависит от удельного радиуса инерции и коэф­ фициента продольного изгиба. Поэтому он чутко реагирует иа. изменение класса стали и улучшение формы сечения. С увели­ чением прочностных свойств стали он растет, а с улучшением характеристики профиля — уменьшается.

94

Зависимость (IV. 7) представим в виде

( Y + P

N

где V= (Jli — иагруженность стержня.

Тогда коэффициент снижения веса для центрально сжатого

На основании формул (IV. 5) и (IV. 8) определяем экономию веса в центрально сжатых стержнях с различной формой сечения в зависимости от нагруженное™ (рис. IV. 2). Исследования по­ казывают, что эффективность по весу при замене в сечениях из уголка стали СтЗ на высокопрочную растет по параболическому закону с увеличением нагруженности и достигает 40—50% для стержней из стали класса С50—С60. Необходимо отметить, что при малой нагруженности [ѵ< 1 ] экономия веса практически оди­ накова для всех классов сталей. Это свидетельствует о нерацио­ нальности использования уголков при малых нагрузках и боль­ ших гибкостях.

В стержнях из труб наблюдается резкое увеличение экономии стали при использовании высокопрочных материалов при малой нагруженности [ѵ< U5] и стабилизация экономии с увеличением ѵ. Таким образом, экономия стали достигается при малых нагруз­ ках за счет рациональной формы сечения, которая имеет наи­ большее значение в этом случае. Особенно это хорошо видно из сравнения экономической эффективности по весу труб и уголков из стали одинаковой прочности: с увеличением нагруженности стержня экономия падает, так как при больших усилиях гибкость стержней мала и форма сечения имеет меньшее значение.

Аналогично можно установить величину экономии веса для гнутых и гнутосварных профилей.

Теоретически величина предельной гибкости с точки зрения экономии стали оказывается равной для стержней из стали клас­ сов С46/33—100, С60/45—86, С75/60—80, С85/75—57. Практи­ чески для получения существенной экономии в затратах металла

Экономия стали во внецентренно сжатых стержнях. Коэффи­ циент снижения веса для внецентренно сжатых' стержней опре­

95

это отношение в зависимости от класса стали составляет: при С46/33 — £=1,01—1,06—1,12; при С60/45— £= 1,02—1,19—1,28; при С75/60 — £=1,02—1,30—1,50; при С85/75 — £=1,03—1,47— 1,76 (посередине приведено среднее значение).

На основании этих данных средние значения экономии веса в проц, ово внецентрѳнно сжатых оплошных и сквозных стержнях при замене стали СтЗ на высокопрочную следующих классов соответственно составит: при С46/33 — 15 и 12, при С60/45 — 26 и 23, при С75/60 — 31 и 27 и при С85/75 — 36 и 31.

Экономия стали в стропильных фермах. Коэффициент сниже­ ния веса ферм при применении высокопрочных сталей по методу теоретических характеристик равен *

где Лг™, А'р8, X £т3— теоретические характеристики поясов и ре­

шетки фермы из высокопрочной стали и фермы-эталона из стали СтЗ в целом [33]; К , RCr3— расчетное сопротивление материала поясов

(IV. 10), определяем снижение веса ферм при замене стали СтЗ •на высокопрочную по сравнению с типовой фермой из угловой стали классов С46/33 + С38/23 (рис. IV. 3). При этом экономия определяется в функции суммарной нагрузки в тоннах на ферму P —qBL (q — нагрузка на ферму в т/м; В и L — шаг и пролет фермы в м соответственно).

Учитывая то, что характеристики в зависимости от геометриче­ ской схемы для одинаковых пролетов отличаются незначительно, а фермы воспринимают в основном равномерно распределенную нагрузку, полученные результаты можно распространить на раз­

* Метод определения веса по теоретическим характеристикам изложен в работе [31] и развит для подсчета весов конструкций из различных марок сталей на кафедре строительных конструкций Макеевского инженерно-строи­ тельного института под руководством профессора Я- М. Лихтарникова.

96

личные типы ферм промышленных зданий, независимо от гео­ метрической схемы решетки.

Вес ферм при применении уголков из высокопрочной стали из­ меняется в значительных пределах. При /*= 100 т экономия со­ ставляет 5—10%, а при Р=250 г — 12—26%, в зависимости от класса стали. Если применять -■ высокопрочную сталь только для поясов, то экономия в ве­ се уменьшается на 5—6%.

Экономия стали в фермах из круглых или квадратных труб уменьшается с увеличением на­ грузки, так как при больших нагрузках рациональность се­ чения имеет меньшее значение.

зависимости от класса стали. Это имеет место при всех нагруз­ ках и пролетах и даже при применении стали СтЗ.

Экспериментальное проектирование стропильных ферм проле­ том 50—60 м из сталей повышенной и высокой прочности было проведено в Уральском ПромстройНИИпроекте [32].' Получен­ ные результаты достаточно хорошо согласуются с вышеприве­ денной теоретической экономией металла, хотя показывают не­ сколько большие значения. Так, для фермы пролетом 36 м с облегченным и железобетонным покрытием при сечениях из уголков экономия веса соответственно составит' 19—35 и 23— 51%, при сечениях из тонкостенных профилей— 18—38 и 18— 58% (в зависимости от класса стали).

Экономия стали в подкрановых балках. При определении эф­ фективности применения высокопрочных сталей по весу возмож­ ны следующие случаи:

а) балка из высокопрочной стали и эталон из стали СтЗ под­ бираются по прочности; б) то ж е —-по жесткости; в) балка-эта­ лон подбирается по прочности,' а балка из высокопрочной ста­ ли — по жесткости.

Наиболее эффективно используются высокопрочные стали в бистальных балках, пояса которых выполняются из высокопроч­ ной, а стенки из СтЗ или низколегированной стали.

Коэффициент снижения веса для подкрановых балок по мето­ ду характеристик равен

/?«

№ Ст3 1 1,1Л'?-В+ Х "-в

Рис. IV. 4. Экономия веса при

2__L

L ~ 3 7 5 ‘

где Х " в, Х^тв , Х"-Ст3, Х вт-Ст3 — теоретические характеристики

поясов и стенки балки.из высокопрочной стали и стали СтЗ (в общем случае определяются по формулам, приведенным в ра­ боте [33]). . .

Теоретические исследования и опыт проектирования показа­ ли *, что при подборе сечения по прочности максимальное сни­ жение веса достигает 30% и существенно зависит от класса сталщ в поясах (рис. IV. 4, а). При подборе балки из высокопрочной стали и СтЗ по жесткости экономия веса составляет 4—8% и практически не зависит от класса стали. При наличии строитель­ ного подъема, равного допускаёмому прогибу, эффективность бистальных балок резко повышается и составляет в среднем 15— 25%. Довольно часто встречается случай, когда эталон подби­ рается по прочности, а балка из высокопрочной стали — по жесткости. При этом снижение веса не зависит от класса стали

.в поясах. Основное влияние оказывает нагрузка и величина нор­ мативного прогиба (рис. IV. 4, б). С повышением нагрузки сни­ жение веса увеличивается и тем больше, чем меньше пролет и больше нормативный прогиб. При пролете 6 ж и нагрузке 30 т/м

* Работы выполнялись на кафедре строительных конструкций -Макеевско­

го инженерно-строительного и Челябинского политехнического институтов.

98

экономия составляет 15%, а при пролете 36 м уже 1—2%. Если жесткость балки повышена устройством строительного подъема, то может быть получено снижение веса 6—40% в зависимости от нагрузки и пролета (рис. IV. 4, е) [46].

Экономия стали в колоннах промышленных зданий. Размер экономии стали от применения высокопрочных материалов в ко­ лоннах зависит от многих факторов: соотношений моментов инер­ ции и высот подкрановой и надкрановой части, грузоподъемности кранов, типа кровли, интенсивности ветра и геометрии рамы. Коэффициент снижения веса для этих конструкций по методу характеристик равен:

Экономия веса в колоннах может быть оценена аналитическим выражением, полученным па основании статистических данных

где R в— расчетное сопротивление высокопрочной стали, т/см2; g — фактический погонный вес стержня колонны из стали

СтЗ, т/м, который определяется по методу характери­ стик [31].

Если подкрановая часть выполняется из высокопрочной, а над­ крановая из менее прочной стали, то в формулу (IV. 13) следует подставить

R в = a i R l + а 2Р 2 ,

где аі + а2=1 — уделыный вес подкрановой и надкрановой частей в общем весе колонны;

R*, RI— расчетное сопротивление стали в подкрановой и

надкрановой частях, т/см2.

Исследования показали, что при применении сталей класса С46/33, С60/45, С70/60, С85/75 вес снижается соответственно на 6—16, 15—26, 22—33,. 33—45% в зависимости от нагрузки по

сравнению с колоннами из стали СтЗ. При выполнении надкра­ новой части из углеродистой или низколегированной, а подкра­ новой ■— из высокопрочной стали снижение веса в конструкциях

соответственно составляет 4—15, 11—23, 13—24, 15—27, 17-28, 23—35, 26—37% (рис. IV. 5).

из высокопрочных сталей более деформатнвны, чем из стали СтЗ.

П р и м е ч а н и я : I. В числителе указана экономия при фермах из уголка,

взнаменателе — из труб.

2.Принято соотношение между тяжелыми, средними и легкими зданиями 0,11:0,62:0,27.

100

Экономия металла в каркасах промышленных зданий при при­ менении высокопрочных сталей. Эффективность применения вы­ сокопрочных сталей в первую очередь зависит от назначения здания, т. е. от величин нагрузок, технологического и обслужи­ вающего оборудования и атмосферных воздействий [34].

Условіио все здания можно разделить на три группы: тяжелые (здания мартенов, конверторов, электросталеплавильные цеха, аглофабрики); средние (сборочные цеха, блюминги, прокатные цеха) и легкие (машиностроительные цеха, здания предприятий легкой и химической промышленности и т. д.). В соответствии с этим делением в табл. IV. I указана экономия от применения вы­ сокопрочных сталей в каркасе здания (в проц.).

Приведенные данные показывают, что максимальная экономия стали до 30% может быть получена в тяжелых цехах. Улучшение конструктивной формы (применение труб взамен уголков) дает дополнительное снижение веса иа 2—5%. Здания, конструкции которых выполнены из двух классов сталей, на 2—4% менее экономичны по расходу стали.

§ 17. Стоимость строительных сталей

Стоимость строительных сталей слагается из оптовой цены, приплат за мерность, травление и химическую обработку, за до­ полнительные требования к химическому составу, механическим свойствам и. транспортным расходам *. Кроме того, следует учи­ тывать стоимость отходов, сдаваемых в металлолом. Оптовые цены зависят от марки стали, вида проката и размера профилей.

По прейскуранту № 01—02 «Оптовые цены на сталь обыкновен­ ного качества» от 1 июля 1967 г. цены на прокат повысились в среднем на 40%, причем на качественный прокат на 20% по сравнению с действовавшими ранее. Цены на стали повышенной и высокой прочности для строительных конструкций приняты до­ вольно высокие с целью стимулирования их производства на металлургических предприятиях [35]. Вместе с тем такое повыше­ ние цен на высокопрочные стали делает малоэффективным их применение в строительстве. Производство конструкций из высо­ копрочных сталей для заводов металлоконструкций в отдельных случаях может оказаться даже убыточным, так как требует до­ полнительных затрат в связи с повышением трудоемкости изго­ товления и приводит к снижению выпуска продукции заводами.

Аналогичное положение сложилось с приплатами за улучшение качества стали. Экономическое обоснование приплат сводится к определению двух коэффициентов: 1) относительного удорожа­ ния У металла повышенного качества по сравнению с обычным;

* Кроме того, имеются приплаты за улучшенную тару и упаковку, допол­ нительное клеймение и маркировку. Эти требования заводов металлоконструк­ ций к металлургическим заводам обычно не предъявляются.

. 101

2) заменяемости А, который показывает, какое количество ме­ талла обычного качества может быть заменено качественной сталью. Экономический эффект от повышения качества по отно­ шению к цене равен Э = А—У. Принято экономический эффект для высокопрочных сталей определять отношением прочности металла повышенного качества к прочности металла обычного качества. При этом исходят из прочности металла на растяже­ ние и под прочностью донимают предел текучести. Стальные кон­ струкции, как известно, редко работают только на растяжение и в большей степени на сжатие и изгиб. Это уменьшает относи­ тельную прочность, например, за счет продольного изгиба, а использование прочностных свойств стали до, предела, текучести не гарантируют нормальной эксплуатации конструкции. Кроме того, повышение механических свойств стали вызывает дополни­ тельные затраты у заводов по изготовлению конструкций. Поэто­ му величины приплат, в частности, дополнительною прибыль металлургических заводов за улучшение качества стали, следу­ ет считать завышенной. При дальнейшем совершенствовании оп­ товых цен на качественную сталь такое положение должно быть исправлено.

Стоимость строительных сталей по прейскуранту № 01—09 и данным ЦНИИЧермета (для конструкций с равномерным соот­ ношением различных профилей), а также относительная их стои­ мость приведены в табл. IV. 2.

Т а б л и ц а IV. 2

В указанных стоимостях стали учтены минимальные приплаты, связанные с гарантиями качества.

102