Металлы для строительных конструкций

Обновлено: 17.05.2024

Основой для производства современных металлоконструкций служит сталь обычного и повышенного качества из углеродистых и низколегированных марок, а иногда титановые и алюминиевые сплавы. Более высокие эксплуатационные характеристики металлоизделий из прокатной стали постепенно снижают интерес к металлу, производимому по технологии чугунного и стального литья.

Особенности стали, используемой для металлоконструкций

При выборе стали для производства металлоконструкций учитывают такие характеристики исходного сырья:

• Механические параметры – предел прочности и текучести, ударная вязкость и относительное удлинение при нагрузках на разрыв.
• Технологические параметры – свариваемость, осадка и т.д.
• Химические параметры – содержание в составе определенных компонентов.

Механические параметры

Для определения механических характеристик проводят специальные испытания нормальных образцов.

Пределом прочности при растягивающих нагрузках является такое напряжение, которое соответствует наибольшему значению нагрузки до разрушения образца. Это условный параметр, который рассчитывается по значению первоначальной площади сечения образца.

Предел текучести – это минимальное значение напряжения, при котором происходит удлинение образца без существенного увеличения параметров нагрузки. В большинстве случаев за предельный параметр текучести образца принимают напряжение, при котором остаточное значение удлинения составляет 0,2 % от его длины. Пределом текучести характеризует способность металла сопротивляться деформационным процессам.

Относительным (предельным) удлинением при нагрузках на разрыв является отношение параметра приращения длины испытуемого образца к его начальной длине. На значение этого параметра также влияет отношение длины к площади образца. Для определения пластических свойств металла принято учитывать длину площадки текучести.

Ударная вязкость позволяет определить подверженность металла к хрупкости и старению и его динамическое сопротивление при пластических деформациях. На этот параметр могут влиять металлургические свойства металла:

• раскисленность;
• шлаковые включения и т.п.

Технологические параметры

Они позволяют определить способность металла деформироваться или принимать воздействия, которые будут характерны для металлоконструкции. При оценке качества учитывается внешний вид поверхности после проведенных испытаний.

При проверке параметров загиба определяется способность заготовки или сварного участка принимать требуемую по размеру форму. При пробах на осадку проверяется способность заклепочной стали выдерживать заданные параметры деформации на сжатие.

Химические элементы в составе стали

На свойства стали влияет и е химический состав:

• Углерод. В строительных металлоконструкциях его содержание обычно составляет не более 0,22 %, иногда – 0,35%. Большее добавление углерода повышает прочность, но снижает параметры пластичности, ухудшая свариваемость и снижая ударную вязкость.
• Марганец. При наличии в составе металла 0,8% марганца, Параметр прочности на растяжение и текучесть материала повышается без ухудшения пластичности. При увеличении включения до 1% и более, падает ударная вязкость и устойчивость к коррозии, металл становится более твердым и хуже сваривается. При очень маленьком содержании марганца значительно снижается предел прочности материала.
• Кремний. Для обычных сталей процент кремния в составе составляет до 0,32, а в низколегированных до 1,1. Этот компонент увеличивает предел прочности и текучести, снижает вязкость, может ухудшать свариваемость.
• Сера. Для предотвращения ломкости, хрупкости (при высоких температурах) и уменьшения прочности в составе стали не должно быть более 0,06% серы.
• Фосфор. Может стать причиной хладноломкости стали. Его содержание в составе обычных сталей обычно не превышает 0,08%.
• Азот. При наличии в составе более 0,015 % азота или других растворенных газов повышается хрупкость металла.
• Хром и никель. Увеличивают твердость и прочность, но уменьшают пластичность. Для строительных низколегированных сталей характерно содержание не более 0,9 и 0,8 процентов элементов, соответственно.
• Медь. Повышает характеристики прочности и устойчивости к коррозии. Обычно составляет до 0,65 % от общего состава.

Способ выплавки

Сталь по способу выплавки бывает:

• Мартеновской. Отличается невысокой пористостью и низким содержанием вредных примесей.
• Конверторной (бессемеровской и томасовской). Для томасовской стали характерна низкая ударная вязкость при нормальных температурных показателях. Она не используется для строительных конструкций. Бессемеровская сталь более пориста, чем мартеновская.

По способу раскисления стали бывают:

• Спокойные.
• Кипящие.
• Полуспокойные.

В составе кипящей мартеновской стали большее количество газов, чем в спокойной, она имеет менее однородную структуру. Бессемеровская сталь по прочности не уступает мартеновской, но последняя менее подвержена старению и хрупкости.

Применение стали различных марок

При строительстве металлоконструкций широкое применение находят такие марки стали:

1. Углеродистые обычного качества:

• мартеновские - Ст0, Ст2, СтЗкп, Ст3, Ст4, Ст5;
• бессемеровские – БСтЗкп.

1. Углеродистые повышенного качества:

• мартеновская —М16, М18а, М31а.

1. Низколегированные конструкционные стали:
   • 15ХСНД (НЛ2, СХЛ1), 10ХСНД (СХЛ4), 14Г2, 15ГС, 10Г2СД (МК).

При строительстве несущих металлоконструкций используют такие марки стали:

• при высоких статических нагрузках - СтЗкп;
• при непосредственном динамическом воздействии подвижных вибрационных нагрузок - Ст3;
• при интенсивном действии подвижной нагрузки - М16, М18а;
• при подвижной нагрузке и температуре —25° и ниже - М16 и М18а;
• при тяжелой нагрузке и больших пролетах - 14Г2, 15ГС, 15ХСНД, 10ХСНД.

Для низколегированной стали характерна более высокая прочность, чем для обычной. Ее ограниченное использование в строительных конструкциях объясняется высокой стоимостью производства и недостаточным количеством промышленно освоенных марок этой стали.

Хорошими эксплуатационными параметрами обладают также алюминиевые и титановые сплавы. Они пластичны, легко поддаются обработке под давлением, хорошо свариваются и позволяют уменьшить вес металлоконструкций. Но их производство обходится дороже, и требует специфических условий.

Материалы для металлических конструкций

Металлические конструкции применяются во всех областях строительства при возведении зданий и сооружений благодаря своим универсальным качествам - высокой прочности (несущей способности); надежности работы при различных видах напряженного состояния, в тяжелых и агрессивных условиях эксплуатации; эффективностью изготовления и монтажа; относительно малый собственный вес при восприятии значительных нагрузок. Кроме того, металлы обладают высокой плотностью - непроницаемостью для газа и жидкости.

К недостаткам стальных конструкций можно отнести сравнительно малую огнестойкость и подверженность коррозии от контакта с влагой, агрессивными средами. При высоких температурах (для стали более 600 0 С) конструкции теряют свою несущую способность.

В зависимости от вида конструкции различают стержневые и сплошные системы стальных конструкций. Стержневые системы состоят из балок, колонн, ферм (каркасы зданий; мосты; арки и фермы, купола, стойки ЛЭП, мачты, башни, эстакады, краны и др. конструкции). Сплошные системы состоят из различных видов листовых конструкций (резервуары, газгольдеры, трубы, бункеры, конструкции металлургических заводов, нефтяных и химических предприятий и т.п.).

Материалы для металлических конструкций

Материалом для металлических конструкций служит, в основном, сталь. В зависимости от степени ответственности конструкций зданий и сооружений, а также от условий их эксплуатации применяют стали различных марок. При выборе марки стали учитывают климатический район строительства и группу конструкций зданий и сооружений по СНиП II.23-81*. Характеристики некоторых видов сталей приведены ниже.

По способу изготовления сталь бывает мартеновской и кислородно-конверторной (их изготовляют кипящими, спокойными и полуспокойными). Кипящую сталь сразу разливают из ковша в изложницы. Она содержит значительное количество растворенных газов. Спокойная сталь - это сталь, выдержанная некоторое время в ковшах вместе с раскислителями (кремний, алюминий), которые, соединяясь с растворенным кислородом, уменьшают его вредное влияние; она имеет лучший состав и более однородную структуру, но дороже кипящей на 10. 15%. Полуспокойная сталь занимает промежуточное положение между спокойной и кипящей.

Для строительных конструкций применяются следующие марки сталей.

Сталь малоуглеродистая обыкновенного качества марки Ст3. Металлургические заводы поставляют малоуглеродистые стали с гарантией: механических свойств (группа А), химического состава (группа Б), механических свойств и химического состава (группа В). Степень раскисления обозначается индексами “кп” - кипящая, “пс” - полуспокойная и “сп” - спокойная, например ВСт3пс. В зависимости от нормируемых показателей (химического состава, механических свойств и ударной вязкости) сталь делят на категории, например ВСт3сп5, а для каждой из категорий установлены, кроме того, группы прочности 1 и 2, например ВСт3сп5-1 и ВСт3сп5-2.

Сталь низколегированная марок 09Г2, 09Г2С, 10Г2С1, 1412, 15ХСНД и др. низколегированные стали всегда поставляют по группе В, поэтому обозначение начинается сразу с цифр; первые две цифры указывают на содержание углерода в сотых долях процента; 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 процентах, если оно превышает 1%. Например, 15ХСНД - сталь, содержащая 0,15% углерода и легирующие добавки хрома, кремния, никеля, меди, причем содержание каждой добавки не превышает 1%.

Основные физические свойства стали: плотность ρ= 7850 кг/м 3 , модуль продольной упругости Е = 206 ГПа (1 ГПа = 100 МПа), модуль сдвига G = 78 ГПа, коэффициент линейного расширения α = 0,000012 град -1 .

До напряжений, близких к пределу текучести, зависимость между напряжениями и деформациями определяется законом Гука:

В СНиП II-23-81* даны механические характеристики и указания по применению различных марок сталей для стальных конструкций зданий и сооружений в зависимости от вида конструкций, условий их эксплуатации (группы I. IX) и расчетной отрицательной температуры.

Сортамент листовой и профильной стали. Стальные конструкции изготовляют из элементов, получаемых прокаткой (листы и фасонная, профильная сталь). В строительстве применяют следующие виды проката:основные типы прокатных профилей

* толстолистовой - толщиной 4. 160 мм, для изготовления листовых конструкций (резервуаров, газгольдеров и др.), стенок балок, фасонок ферм и др. (ГОСТ 19903-74);

* тонколистовой - толщиной 0,5. 4 мм, для изготовления гнутых профилей, устройства покрытий и т.п. (ГОСТ 19904-74 с изм.);

* сталь полосовая - толщиной 4. 60 мм при ширине до 200 мм, для изготовления ребер жесткости диафрагм (ГОСТ 103-76);

* широкополосный - для изготовления сварных балок и колонн (ГОСТ 8200-70);

* уголковые профили - равнополочные и неравнополочные, применяются для изготовления ферм и других решетчатых конструкций (ГОСТ 8509-93; 8510-86);

* швеллеры и двутавры применяются для изготовления балок и колонн (ГОСТ 8240-93; 8239-89);

* гнутые профили, получаемые холодным способом из листов толщиной 3. 10 мм, предназначенные для изготовления легких конструкций различной формы, эффективность гнутых профилей по сравнению с прокатными - их большая жесткость и легкость (ГОСТ 8282-83*, 25577-83*, ТУ36-2287-80 с изм.);

* электросварные трубы применяются для изготовления ферм (ГОСТ 10704-91).

Основными физико-механическими свойствами стали являются прочность, упругость, пластичность, которые определяются испытаниями на растяжение специально изготовленных образов. По результатам испытаний строят диаграмму испытуемого образца в координатах нагрузка (напряжения) - относительные деформации. (Рис 1.1).

Для условий растяжения эта зависимость записывается

δ = N/А ε = ( )100%, (1.1)

где N - нагрузка, А - первоначальная площадь поперечного сечения, l₀ - первоначальная длина базовой (рабочей) части образца, Δl - абсолютное удлинение.

В соответствии с рис. 1.1 основными прочностными характеристиками стали являются временное сопротивление δ_u и предел текучести δ_т=R_у. (рис 2.2 а)

Временное сопротивление - это предельная нагрузка, при которой происходит разрушение, отнесенная к первоначальной площадке поперечного сечения испытуемого образца.

Предел текучести W_т - наименьшее напряжение, при котором деформация происходит без заметного увеличения нагрузки, а остаточная деформация достигает 0,2% (остаточное относительное удлинение после разгрузки). В низкоуглеродистых сталях процесс нарастания деформаций идет по существу без изменения внешней нагрузки - металл “течет”. Для сталей повышенной прочности, не имеющих ярко выраженной площадки текучести, вводят понятие условного предела текучести W_0,2.

Деформативные свойства стали измеряются на образцах различной базы. Показателем пластических свойств стали является относительное остаточное удлинение при растяжении δ₅ (%) стандартных плоских образцов с рабочей длиной l = 5,65 , и условная ударная вязкость.

Упругие свойства стали характеризуются начальным модулем упругости Е = tgα (где α- угол наклона прямолинейного участка диаграммы к оси абсцисс), пределом упругости δ_с и пределом пропорциональности δ_р.

W_р - предел пропорциональности, т.е. напряжение, до которого материал работает по закону Гука, имея линейную диаграмму растяжения W=Е·ε (1.2)

W_с - предел упругости, выражен напряжением (или нагрузкой), после снятия которого нет остаточных деформаций.

Значения физико-механических характеристик сталей даны в ГОСТ и ТУ.

Новая классификация строительных сталей приведена в приложении 18 в соответствии с СНиП II – 23 - 81 * .

Контрольные вопросы к главе 1

1. Что изучает наука о МК?

2. Как связаны МК с другими строительными конструкциями?

3. Какие основные требования предъявляются к МК?

4. Достоинства и недостатки МК.

5. Область применения МК.

6. Общие принципы проектирования МК.

7. Какими нормативными документами надлежит пользоваться при разработке МК?

8. Разновидности строительных сталей.

9. Какие виды разрушения присущи сталям и от чего это зависит?

10. Механические и прочностные свойства сталей.

11. Что такое сортамент металлических профилей и что он содержит?

Резюме к главе 1

В главе 1 приведены общие сведения о металлических конструкциях, их достоинства и недостатки, область применения. Даны характеристики некоторых видов сталей.

Приведены ГОСТы сортамента листовой и профильной сталей, основные физико-механические свойства сталей.

Металл в строительстве: от меди до стали

Периодическая система элементов Менделеева насчитывает 82 металла, многие из которых, благодаря своим уникальным свойствам, находят применение в строительстве. Но если когда-то металл использовался, в основном, для изготовления кровельных покрытий и отдельных элементов крепежа, то по мере развития технологий его значимость для стройиндустрии становится все выше. Например, можно смело утверждать, что сегодня стальные конструкции являются основой любой капитальной постройки. Совершив небольшой экскурс, можно проследить эволюцию металла в строительстве.

Исторический экскурс

Это очень прочный металл, благодаря формированию голубовато-зелёной патины слабо подверженный коррозии, а потому способный служить долго. В качестве кровельного материала листовую медь использовали потому, что она легче деревянной черепицы и уж тем более — глиняной черепицы или свинца. Немаловажно также и то, что медь достаточно легко гнётся, что позволяло использовать ее для облицовки куполов и других фигурных элементов, которыми обычно украшали кровли культовых построек.

Помимо кровли медь издавна используется ещё и в декоративных целях, а также как материал для создания памятников и монументов. В частности, именно она послужила основным материалом для Статуи Свободы. Медные сплавы, широко используемые в архитектуре — это бронза (сплав меди и олова) и латунь (сплав меди и цинка).

К недостаткам меди можно отнести её крайне высокую стоимость, которая растёт год от года, а также свойство со временем терять свой первозданный яркий цвет и характерный блеск: покрываясь патиной, медь стремительно тускнеет и приобретает характерный зелёный оттенок.

Забегая немного вперёд, можно отметить, что решение «медной проблемы» в наши дни найдено: натуральный металл сегодня всё чаще заменяют достоверной имитацией из стали с полимерным покрытием, о которой пойдет речь чуть позже. Например, сталь с двусторонним покрытием Agneta, в точности имитирующим цвет и блеск меди благодаря включённым в состав красителя микросферам, втрое дешевле своего прообраза, но при этом не теряет внешней привлекательности в течение всего срока эксплуатации.

Свинец — ещё один «долгожитель» строительной отрасли. Его широчайшее применение в прошлом было обусловлено прежде всего низкой температурой плавления. Вплоть до конца XIX века из свинца изготавливали водопроводные трубы, пока не стало известно, что это негативно отражается на здоровье людей. Как и медь, свинец на протяжении многих веков был популярным кровельным материалом и одновременно использовался для изготовления водосточных желобов, труб и дымоходов. Правда, из-за своего большого веса свинец лучше всего подходил для низкоскатных крыш, поскольку с крутых со временем неизбежно начинал сползать. Кроме того, свинцовые кровли были не в фаворе в регионах с большими перепадами температур, поскольку быстро приходили в негодность из-за существенных температурных деформаций, которым подвержен этот металл.

Ещё одна ипостась свинца — изготовление красок на его основе: сурик (красный) применялся как антикоррозионный пигмент для железа, а свинцовые белила — для покраски деревянных домов. Эти краски считались одними из самых стойких и долговечных и всегда использовались в качестве защитных покрытий. Однако со временем их применение было приостановлено в связи с распространением случаев отравления свинцом.

Терн, или «тернплате» — ещё один материал, вошедший в строительный обиход начиная с XIX века. Это были стальные или железные листы, покрытые свинцово-оловянным сплавом, которые часто путали с белой жестью.

Олово само по себе в чистом виде никогда не применялось в архитектуре. Обычно его использовали в сплавах, например, с медью для образования бронзы, а также для покрытия более жёстких металлов, например, лужёного железа или стали: при покрытии листового железа оловом как раз и получалась жесть. Из неё обычно делали броню, но иногда использовали и как кровельное покрытие. В конце XIX века в моде были потолки из рельефной металлической плитки, называвшиеся «оловянными», хотя на самом деле они чаще всего изготовлялись из крашеного листового железа или стали.

Никель находится в сходном положении с оловом: он периодически использовался в качестве гальванического покрытия архитектурных деталей. А вот в создании сплавов никель занимает, пожалуй, лидирующее место на фоне остальных металлов. Благодаря ему мы имеем нейзильбер, монель-металл и нержавеющую сталь. Вплоть до Первой мировой войны нейзильбер называли «немецким серебром», но затем он стал более известен как «белая латунь», хотя правильнее было бы именовать его «никелевой латунью», так как в классическом варианте этот сплав состоит из 75% меди, 20% никеля и 5% цинка. Разное процентное соотношение даёт разные цвета: серебристо-белый, жёлтый, голубоватый, зелёный или розовый. Изделия из нейзильбера были неизменными атрибутами стиля арт-деко.

Монель-металл представляет собой сплав из двух третей никеля и трети меди, а по цвету он похож на платину. Определённым показателем его успешности можно считать тот факт, что в 1936 году медная кровля Нью-Йоркской городской публичной библиотеки на пересечении Пятой авеню и 42-й улицы была заменена на монельную. Удобство работы с монель-металлом заключалось в том, что его можно было варить и паять прямо на месте строительных работ, что позволяло создать сплошную водонепроницаемую поверхность кровли. Во время Второй мировой войны большое количество никеля и меди шло на военные нужды, в связи с чем производство монеля значительно сократилось. А после войны ему на смену пришли нержавеющая сталь и алюминий, имеющие более низкую себестоимость.

Цинк в чистом виде использовался как кровельное покрытие в Бельгии, Франции и Германии, где он заменил более дорогие медь и свинец. Начиная с 1820-х годов бельгийский цинковый лист стали импортировать в Америку. Что касается антикоррозионного цинкования, то эта технология была запатентована в 1837 году независимо друг от друга Сорелем во Франции и Крауфордом в Англии. Метод представлял собой процесс «горячего погружения» с целью покрытия железа цинком. Новинка довольно быстро перебралась за океан: Торговая биржа на Манхеттене стала одним из первых зданий, имевших оцинкованную крышу и водостоки.

Свою нишу цинк занял также в области изготовления декоративных элементов благодаря пластичности и приемлемой цене, дававшими ему преимущества по сравнению с камнем. Изделия из цинка легко поддавались покраске, что позволяло имитировать более дорогие металлы. Кстати о красках: в отличие от свинца. краски на основе цинка не токсичны и устойчивы к загрязнению. Они имели коммерческий успех, начиная с 1850-х, а в 1870-х начали использоваться повсеместно. Дополнительным преимуществом было то, что цинковые красители являлись хорошими ингибиторами ржавчины на железе и стали.

Алюминий был недоступен по разумной цене и в достаточных количествах вплоть до начала XX века. Затем он постепенно стал входить в архитектуру, правда, сначала только как материал для изготовления декоративных элементов. Первым громким выходом алюминия на большую строительную арену следует считать Эмпайр Стейт Билдинг, строительство которого было завершено в 1931 году. На долю алюминия пришлась значительная часть элементов отделки небоскрёба, таких как декоративные панно, входной комплекс, двери лифта. Кроме того, наряду со сталью алюминий был использован в несущих конструкциях здания и для облицовки его фасада.

К недостаткам алюминия следует отнести небольшую жесткость (втрое меньше, чем у стали), высокую теплопроводность и низкую температуру плавления (примерно 660°C). Первое свойство заставляет увеличивать площадь сечения алюминиевых конструкций, а в сочетании со вторым делает их источником теплопотерь здания. Например, вентилируемые фасады на алюминиевой подконструкции существенно уступают стальным по показателям теплоизоляции, не давая при этом существенного выигрыша в весе. Третье свойство негативно отражается на пожарной безопасности построек.

Король среди стройматериалов

Железо в архитектуре встречается в четырёх широко распространённых формах: кованое железо, чугун, листовое железо и сталь. «Чугун был главным строительным материалом XIX века — века промышленной революции. Он часто использовался для конструктивных решений: например, для изготовления колонн, фасадов или куполов. Также из чугуна делали лестницы, лифты, решётки, веранды, балконы, перила, заборы, фонари и даже надгробья», — рассказывает архитектор Анисия Борознова. На сегодняшний день чугун используется в основном для изготовления труб и сантехнической арматуры, хотя иногда к его помощи прибегают с целью подражания стилю прежних эпох.

Наиболее подробно имеет смысл говорить о стали. Именно появление конструкционной стали в середине XIX века сделало возможным строительство высотных зданий. Произошло это благодаря исследованиям английского изобретателя Генри Бессемера, пришедшего к идее передела жидкого чугуна в литую сталь путём продувки сквозь него сжатого воздуха. Чуть позже была разработана мартеновская печь, которая позволила ускорить процесс и снизить себестоимость получаемого материала. Мосты, железнодорожные комплексы и небоскрёбы были первыми крупномасштабными объектами из конструкционной стали.

Ещё один материал, выведший строительные технологии на новый уровень, был разработан также в конце XIX века. Добавление стальной проволоки в бетон дало рождение железобетону, который вряд ли нуждается в специальном представлении.

В начале XX века появились нержавеющие стали с различными примесями, и их главным достоинством стала устойчивость к коррозии. Одним из памятников этой эпохи является здание корпорации Chrysler, построенное по проекту архитектора Уильяма Ван Элена и признанное самым красивым небоскрёбом Нью-Йорка.

Сегодня практически все капитальные здания построены либо из железобетонных, либо на стальном несущем каркасе. Последнее относится и к так называемым быстровозводимым зданиями, которые практически полностью вытеснили сегодня любые другие строительные технологии из коммерческого и промышленного строительства.

Следующим значимым этапом в развитии строительных технологий стало появление системы навесных вентилируемых фасадов (НВФ) в 40-х годах XX века в странах Скандинавии и затем распространившееся оттуда в Европу и Америку. Подконструкция вентфасадов чаще всего изготовлялась из стали, чуть реже — из алюминия (о недостатках этого решения мы уже говорили). Затем на неё крепилась облицовка, а на несущую стену под ней — утеплитель, с соблюдением обязательного воздушного зазора.

На первых порах в качестве облицовочных материалов использовали всё подряд, особенно когда дело касалось бюджетного частного домостроения. Со временем доминирующие позиции на рынке фасадных облицовок начали занимать дешевый керамогранит и легкие алюминиевые композитные панели. Однако помимо очевидных преимуществ эти решения имеют и серьезные недостатки.

Так, керамогранитные фасадные плитки массивны, хрупки, и при всем этом отличаются самым ненадежным среди всех облицовочных материалов способом крепления — на кляммеры (защелки). Любое нарушение технологии монтажа, особенно на высотных зданиях, может сделать керамогранитный фасад небезопасным, а целесообразность его использования в сейсмоопасных районах опровергается повседневной практикой.

Что касается композитных панелей, то выбирать их нужно с осторожностью, потому что не любой их тип соответствует требованиям пожарной безопасности для жилищного и гражданского строительства.

Однако с появлением и развитием технологии полимерного покрытия листовой стали популярным до последнего времени фасадным решениям появилась достойная альтернатива: стальные облицовки доказали своё явное преимущество перед другими решениями и начали постепенно вытеснять их с рынка. Технологичность, простота монтажа, энергоэффективность и долговечность НВФ со стальной облицовкой в сочетании с привлекательным внешним видом и множеством цветовых вариаций пленили сердца архитекторов и строителей.

Иногда в адрес стальных облицовок можно услышать нарекания. Например, экономичные варианты, такие как линеарные панели, ввиду небольшой толщины металла и упрощённой технологии формования не обеспечивают безупречной геометрии фасадных элементов, а потому не очень подходят для серьёзного городского строительства. Относящиеся же к среднему ценовому сегменту фасадные кассеты, лишённые означенных недостатков, не всегда вписываются в имеющийся бюджет, например, в рамках муниципальных программ реконструкции жилых зданий.

Любопытно отметить небольшую лексическую трансформацию, которая происходит прямо у нас на глазах. Слово «металл» всё чаще используется как синоним «стали», ведь это именно её по праву можно назвать металлом нового времени. Из стали стало возможным создать любой элемент здания: фундамент, несущие конструкции, облицовку, кровлю, декор, мебель. Если провозгласить металл королём среди стройматериалов, то его корона наверняка будет сделана из стали.

Материал строительных металлоконструкций

Основным материалом строительных металлических конструкций является горячекатаная углеродистая сталь обыкновенного и повышенного качества, а в некоторых случаях низколегированная сталь повышенной прочности. Чугунное и стальное литье, широко применявшееся раньше для опорных частей и других элементов конструкций, в настоящее время вытесняется сварными деталями из прокатной стали.

Для строительных конструкций могут применяться также алюминиевые сплавы, вес которых в 2,5—2,8 раза, а модуль упругости в три раза меньше, чем стали. Наиболее прочные из этих сплавов соответствуют по прочности низколегированной стали, но имеют пониженную сопротивляемость коррозии и не совсем пригодны для сварки. Сплавы же с большей сопротивляемостью коррозии обладают меньшей прочностью. Алюминиевые сплавы пока значительно дороже стали.

Однако намеченное на ближайшее время значительное увеличение производства алюминия открывает широкие возможности для применения алюминиевых сплавов в строительных конструкциях.

Основными характеристиками стали

Основными характеристиками стали определяющими ее применение в конструкциях, являются:

1. механические характеристики — предел прочности, предел текучести, относительное удлинение при разрыве е и ударная вязкость;
2. технологические характеристики — загиб в холодном состоянии, свариваемость, осадка и пр.;
3. характеристики химического состава — предельное содержание углерода, кремния, серы, фосфора и пр.

Эти характеристики устанавливаются соответствующими стандартными испытаниями, пробами и анализами образцов стали. Механические характеристики устанавливаются испытанием нормальных образцов на растяжение и иллюстрируются диаграммой растяжения.

Пределом прочности при растяжении называют напряжение, отвечающее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца. Это напряжение является условным, отнесенным не к действительной площади сечения образца, а к первоначальной. Для всех металлов, разрывающихся с образованием шейки, характеризует при растяжении сопротивление металла пластической деформации (при величине ее примерно до 15%) и не имеет никакого отношения к разрушающему напряжению.

Пределом текучести называют наименьшее напряжение, при котором образец удлиняется без заметного увеличения нагрузки. Конкретный физический смысл имеет только для тех технических металлов, для которых диаграмма растяжения характеризуется наличием площадки текучести. Для остальных металлов, не обнаруживающих площадку текучести, за условный предел текучести принимают напряжение, при котором образец получает остаточное удлинение в 0,2% расчетной его длины.

Предел текучести характеризует сопротивление металла пластическим деформациям. На пределе текучести происходит наиболее интенсивное их нарастание — сталь течет.

Поэтому предел текучести является пределом нормативных сопротивлений. Он определяет границу напряжений, при которых деформации оказываются еще настолько малыми, что можно пользоваться методами расчета по стадии упругой работы материала.

Относительное удлинение (предельное) есть отношение приращения длины образца (после разрыва) к его первоначальной расчетной длине. Оно представляет собой сумму двух слагаемых: отношения к исходной длине образца его равномерного удлинения при растяжении до максимальной нагрузки и сосредоточенного удлинения после достижения максимума, и образования шейки вплоть до разрыва.

Второе слагаемое лишено физического смысла потому, что деформация удлинения после образования шейки не простирается на всю длину образца. Таким образом, эта характеристика является условной.

Она зависит также и от отношения расчетной длины к площади образца. Поэтому различают относительные удлинения для длинного образца и для короткого образца. Более правильной характеристикой пластичности является относительное сужение в шейке, непосредственно связанное с пластичностью материала в момент наибольшего ее развития.

Пластические свойства металла принято характеризовать длиной площадки текучести, относительным удлинением при разрыве и относительным сужением шейки образца в месте разрыва.

Ударная вязкость (удельная) характеризует склонность металла к хрупкости и старению, а также динамическое сопротивление пластической деформации. Она равна работе, расходуемой для ударного излома на копре образца данного типа, отнесенной к рабочей площади его поперечного сечения (в месте надреза).

Ударная вязкость определяется при нормальной температуре (+20°) обычной стали и после ее механического старения, достигаемого растяжением заготовки на 10% расчетной длины и последующим отпуском при 250°. Для оценки склонности стали к переходу в хрупкое состояние при пониженной температуре служат испытания на ударную вязкость при температуре -20 и -40°. Ударная вязкость зависит от металлургических качеств металла:

• раскисленности, структуры
• наличия шлаковых включений и т. п.

Испытание на ударную вязкость введено в Н и ТУ как приемочное испытание углеродистых и низколегированных строительных сталей для ответственных конструкций, работающих на динамическую нагрузку.

Технологические характеристики определяются посредством соответствующих проб. Эти пробы выявляют способность металла принимать деформацию или воздействие, подобные тем, которые он должен претерпевать при его обработке или при дальнейшей работе в конструкции. При этом качество металла обычно оценивается по внешнему виду, т. е. по состоянию поверхности после испытания.

Для определения способности металла или сварного соединения принимать заданный по размерам и форме изгиб стальной образец толщиной (x), а испытывается на загиб в холодном состоянии обычно на 180° до соприкосновения сторон или же вокруг оправки диаметром (d = 2х или d = Зх (в зависимости от марки стали).

Проба на осадку служит для определения способности заклепочной стали принимать заданную по размерам и форме деформацию сжатия. Свойства стали в значительной степени зависят от ее химического состава и в первую очередь от количества углерода.

Углерод в строительных сталях

В сталях, применяемых в строительных конструкциях, углерода содержится до 0,22 и, реже, до 0,35%. Увеличение содержания углерода в стали увеличивает ее твердость, но снижает ее пластичность; при этом ухудшается свариваемость стали и снижается ее ударная вязкость.

Марганец в строительных сталях

Содержание в строительных сталях марганца в количестве до 0,8% повышает предел прочности при растяжении и предел текучести, хотя и в меньшей степени, чем углерод, но зато не вызывает заметного снижения пластичности.

При содержании марганца более 1 % снижается ударная вязкость и стойкость стали против коррозии, повышается ее твердость и ухудшается свариваемость. Очень малое содержание марганца снижает предел прочности. В перспективных низколегированных сталях содержание марганца доходит до 1,8%.

Кремний в строительных сталях

Кремний повышает повышает предел прочности при растяжении и предел текучести, снижает в и ударную вязкость, а также ухудшает свариваемость стали. В обычной стали кремния содержится до 0,32%, а в низколегированной—до 1,1%.

Сера в строительных сталях

Сера снижает прочность стали и делает ее красноломкой, т. е. хрупкой при температуре 800—1000°, и поэтому непригодной для горячей обработки. Содержание серы в строительной стали не должно превышать 0,06%.

Фосфор в строительных сталях

Наличие фосфора делает сталь хрупкой при низких температурах (хладно­ломкой), а поэтому содержание его в обычной стали ограничивается 0,08%. В количестве же до 0,12—0,15%, но в определенном сочетании с другими компонентами наличие фосфора дает возможность получать малохладноломкую низколегированную сталь повышенной прочности.

Азот в строительных сталях

Вредными примесями являются содержащиеся в стали растворенные газы (азот, кислород и др.). Так, например, содержание азота более 0,015% повышает хрупкость стали.

Хром и никель в строительных сталях

Хром и никель повышают прочность и твердость стали, но несколько снижают ее пластичность. Содержание их в строительных низколегированных сталях достигает соответственно 0,9 и 0,8%.

Медь в строительных сталях

Медь повышает прочность стали и ее стойкость против коррозии. Содержание меди в низколегированной стали доходит до 0,65%. Свойства стали зависят также и от способа ее изготовления. По способу выплавки строительные стали подразделяются на мартеновскую и конверторную (бессемеровскую и томасовскую), а по способу раскисления — на спокойную, кипящую и полуспокойную (последняя почти не вырабатывается).

Томасовская сталь, имеющая весьма низкую ударную вязкость при нормальных температурах, в строительных конструкциях не применяется. Мартеновская сталь менее пориста, чем бессемеровская, и содержит меньше вредных примесей.

Кипящая мартеновская сталь по сравнению со спокойной более засорена газами и имеет менее однородную структуру. Прочность бессемеровской стали не меньше прочности мартеновской, однако последняя, особенно спокойная, более надежна против хрупкого разрушения и старения.

Марки строительной стали и области их применения

Вырабатываемая металлургической промышленностью сталь подразделяется по качеству и назначению на стандартные сорта, называемые марками.

Марки стали должны отвечать требованиям стандартов и предусмотренным вних дополнительным требованиям заказчика. Этими требованиями определяются основные и дополнительные характеристики механических и технологических свойств стали, а также ее химического состава.

Для строительных металлоконструкций применяются:

1. Углеродистая сталь обыкновенного качества, группы I, поставляемая по механическим свойствам:
   1. мартеновская — марок Ст. 0, Ст. 2, Ст. Зкп, Ст. 3, Ст. 4, Ст. 5;
   2. бессемеровская — марки БСт.Зкп;
   1. Г — марганец,
   2. С — кремний,
   3. X — хром,
   4. Н — никель,
   5. Д — медь; цифры после букв указывают (приблизительно) процентное содержание соответствующего элемента в целых единицах.

   Несущие элементы металлоконструкций следует проектировать:

   1. в конструкциях, воспринимающих статическую нагрузку — из стали марки Ст. Зкп;
   2. в конструкциях, воспринимающих непосредственное динамическое воздействие от подвижных нагрузок (например, при легком и среднем режиме работы кранов), а также непрерывно действующие вибрационные нагрузки — из Ст. 3, с дополнительной гарантией по ударной вязкости согласно ГОСТу 350—57;
   3. при интенсивном действии подвижной нагрузки (например, при тяжелом режиме работы кранов в три смены) из стали М16, М18а;
   4. при подвижной нагрузке и температуре —25° и ниже — из стали М16 и М18а с гарантией ударной вязкости по ГОСТу 380—57;
   5. при тяжелой нагрузке и больших пролетах, а при специальном технико­экономическом обосновании и для малых пролетов — из стали марок: 14Г2, 15ГС, 15ХСНД, 10ХСНД.

   Для металлоконструкций находят применение также другие марки стали и чугун. Так, например, стали марок Ст. 4 и Ст. 5 с дополнительной гарантией для Ст. 5 в отношении углерода допускаются в клепаных, а при специальном технико-экономическом обосновании и специальной технологии применения электродов и флюсов и в сварных конструкциях при статической нагрузке.

   Сталь марки М31а допускается при технико-экономическом обосновании для клепаных и сварных (при особых условиях) конструкций. Сталь марки БСт. Зкп допускается для клепаных конструкций, не подверженных непосредственному воздействию динамических нагрузок и не предназначенных для эксплуатации в условиях низких температур (—30° и ниже).

   Сталь марки Ст. 0 применяется для нерасчетных, а при специальном обосновании и для несущих элементов — при статической нагрузке. Для листовых конструкций (резервуары, трубопроводы и др.) применяется сталь марок Ст. 2, Ст. Зкп; при пониженных температурах — Ст. 2, Ст. 3, а при специальном обосновании—М16, 09Г2, 14Г2,15ХСНД, 10ХСНД, 10Г2СД.

   Для заклепок применяются сталь марок Ст. 2 иСт. 3, а также низколегированная сталь 09Г2. Болты изготовляются из стали марок Ст. 3, Ст. 5, 09Г2 и 15ХСНД. Отливки (опорные части и т. п.) проектируются из углеродистой стали марок 15Л, 35Л и из серого чугуна марок СЧ 12—28н-СЧ28—48. В обозначении марок чугуна первые двузначные числа указывают предел прочности при растяжении, а вторые предел прочности при изгибе (в кг/см 2).

   Сталь марки Ст. Зкп, применяемая для изготовления сварных конструкций, предназначенных под статическую нагрузку, имеет следующие основные характеристики: ст>-2 400 кг/см2 (при толщине проката до 40 мм);

   Предел прочности при растяжении = 3 800 — 4 700 кг/см2. Механические характеристики стали марок М16 и М18а немногим лучше, чем стали марки Ст. Зкп. Однако стали М16 и М18а имеют более высокие характеристики ударной вязкости при температуре —20° и после механического старения, благодаря чему их применение особенно рационально в конструкциях, работающих под динамическими нагрузками и в условиях отрицательной температуры.

   Применение стали марок Ст. 5 и М31а рационально в тех случаях, когда материал конструкции должен иметь более высокие механические характеристики, чем сталь марки Ст. 3. Наиболее мягкая и пластическая сталь марки Ст. 2 применяется для листовых конструкций, требующих большого количества гибочных и отбортовочных работ, сопровождающихся появлением значительных пластических деформаций, а также для заклепок.

   Низколегированная сталь, более прочная, чем обычная, в строительных конструкциях до последнего времени используется еще далеко недостаточно. Это объясняется ограниченным числом освоенных промышленностью марок этой стали, относительно высокой ее стоимостью (в частности, стали марки 15ХСНД — НЛ2, получившей наибольшее практическое применение в строительстве) и не полной изученностью условий и режима сварки стали новых марок.

   Вследствие неизменности модуля упругости степень выгодности применения низколегированной стали (повышенной прочности) для элементов, подвергающихся различным видам силового воздействия (растяжению, изгибу, сжатию), неодинакова. Так, наибольшее снижение веса достигается при применении низколегированной стали для растянутых элементов.

   Эффективность применения этой стали значительно ниже для изгибаемых и особенно для сжатых гибких элементов. Из-за относительно низкого предела выносливости низколегированной стали применение ее нерационально для конструкций, работающих на переменные и знакопеременные усилия.

   Основное расчетное сопротивление стали марок 15ХСНД, 10Г2СД, 14Г2 и 15ГС на 38% выше, чем стали марок Ст. Зкп, Ст. 3 и М18а.

   Стоимость стали 15ХСНД в среднем на 35% выше стоимости стали Ст. Зкп, на 20% выше стали Ст. 3 и на 4% ниже стали М18а. Применение стали 15ХСНД взамен широко используемой в стальных конструкциях стали марки Ст. Зкп экономически невыгодно. Эффективно эта сталь может быть использована взамен стали марок Ст. 3 и М18а. В 1956 г. из стали 15ХСНД были изготовлены сварные конструкции колонн и рабочих площадок для мартеновского цеха металлургического завода в Индии.

   Применение стали 15ХСНД в пролетных строениях мостов обеспечило экономию свыше 3000/летали. Еще больший эффект должно дать применение низколегированной безникелевой стали наиболее дешевых марок 14Г2 и 15ГС в тяжелых конструкциях взамен стали марки Ст. Зкп. Существенным преимуществом низколегированной стали по сравнению с углеродистой является ее высокая коррозийная стойкость.

   Марки стали (обычной и низколегированной), имеющие большую стоимость, следует применять лишь в тех случаях, когда это является необходимым по условиям работы конструкции, а также когда это может привести к меньшей затрате материала и обеспечить снижение стоимости конструкции.

   Читайте также:

     
   • Сип кабель состав металла
     
   • Solid edge листовой металл
     
   • Ночная задвижка на металлическую дверь сломалась
     
   • Все виды металлических головоломок
     
   • Скамейка гимнастическая деревянная 2 м металлические ножки