книги / Строительные конструкции

но 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