Стальные конструкции

Характеристика стальных конструкций

Стальные конструкции в строительстве занимают ведущее место. И это понятно, ведь они легче, чем железобетонные, имеют небольшие размеры, по сравнению с другими металлическими конструкциями. И что немаловажно: они могут переносить высокие напряжения и имеют надежность в эксплуатации. Плюс, многообразие их конструктивных форм и эстетическая выразительность. Этим характеристикам во многом стальные конструкции обязаны стали, из которой изготовлены их компоненты. Сталь – твердый серебристый металл, сплав железа с углеродом и другими упрочняющими элементами. Обычно детали стальных конструкций спаяны сваркой (технологический процесс, в результате которого происходит сплавление или совместное пластическое деформирование свариваемых частей), крепежными элементами (заклепками и болтами). Но есть у стальных установок и существенный недостаток: они могут ржаветь. Поэтому строителям приходится время от времени проводить защитные процедуры, включающие нанесение специальных покрытий и краски.
Большей частью в современном строительстве стальные конструкции используются в качестве несущих установок – конструированных частей возводимого объекта, воспринимающих основные нагрузки (порывы ветра, тяжесть снега, находящихся в здании людей, оборудование, тяжесть грунта). Многообразны и их конструируемые формы: жилые дома, общественные, индустриальные сооружения, помещения для выплавки чугуна из железной руды. Это также стационарные стальные газовые сооружения, сооружения связи, ГЭС, постройки для перехода или переезда через реку, виадук на железной дороге и шоссе, предприятия, обеспечивающие эксплуатацию, ремонт и стоянку подвижного состава; сооружения для технического обслуживания и ремонта самолетов. Добавим к этому списку трубопроводный транспорт, навесные мосты через большие водные пути, ложбины, каньоны, стадионы, торговые центры.
Легкие тонкостенные конструкции из стали применяют для постройки объектов со стропильными фермами, в которых используются легкие утеплители вроде пенопласта. Важно то, что затрата стали существенно уменьшается. Облегченные установки производятся на конвейерных линиях предприятия - изготовителя, поэтому трудоемкость их производства достаточно низкая. Они поставляются на стройку в полном комплекте (несущие и ограждающие элементы) и быстро монтируются крупными блоками.

Трудно сейчас представить, но первые строительные конструкции были применены в конце XIX века. Тогда-то были усвоены российскими промышленниками получение литого железа с помощью мартеновского, бессемеровского, томасовского процессов. Применить полученные знания на практике инженеры смогли уже в конце XIX века, когда в нашей стране и за рубежом были возведены массивные здания и инженерные сооружения, выполненные из стали. Достаточно вспомнить Бруклинский мост в Нью-Йорке, Эйфелеву башню в Париже. Расцвет строительства стальных конструкций в Советском Союзе связан с расцветом металлургического производства. К этому времени нашими учеными был накоплен значительный опыт проектирования и постройки стальных установок. Как правило, части стальных конструкций соединялись электросваркой. За счет использования однотипных стальных установок расходовалось меньше стали, производство было малозатратным, а монтаж быстрым.
Для производства стальных конструкций используются сталь малоуглеродистая и сталь повышенной и высокой прочности. Несколько слов об их характеристике.

Сталь в стальных конструкциях

Добротность стали, которая используется при производстве металлических установок, определяется ее сопротивлением статическим и динамическим воздействиям, пластичностью, стойкостью к расслоению в холодном состоянии и свариваемостью. Значения вышеперечисленных показателей установлены в государственных стандартах. Что же касается классов стали по прочности, то они делятся на три вида: малоуглеродистые обычной прочности (предел текучести равен 23 кH/см2, и временное сопротивление 38 кH/см2), повышенной прочности (предел текучести 29 …40 кH/см2, временное сопротивление 44 … 52 кH/см2), стали высокой прочности низколегированные и с помощью термической обработки упрочненные (предел текучести - 45… 75 кH/см2, временное сопротивление - 60 …85 кH/см2). В соответствии с этими показателями в строительных нормах и правилах под номером II -В.3-72 стали разделяются на семь классов. Кстати, механические качества стали и ее свариваемость напрямую зависят от ее состава, термической обработки и способа проката. Основу состава стали составляет феррит. Он не очень крепкий, пластичный, поэтому в чистом виде в стальных установках не используется. Крепости ему прибавляют добавки углерода, и получается тогда малоуглеродистая сталь обычной прочности. Если феррит легируют марганцем, ванадием, хромом, то речь идет уже о низколегированной стали повышенной прочности. Сталь высокой прочности получается за счет добавления в состав феррита примесей для улучшения его физических свойств и в процессе его тепловой обработки.

Термическая обработка стали

Простейшим способом термической обработки стали является нормализация. Это повторный нагрев до образования аустенита и охлаждения его на воздухе. За счет чего улучшаются прочность и пластические свойства стального проката (сталь, получаемая на прокатных станах путем прокатки).
Если сталь, имеющая температуру большую температуры фаз, находящихся в термодинамическом равновесии, быстро остывает, то образуется закалка. То есть она получается, когда скорость остывания стали была выше скорости превращения фаз.
Структуры, которые образуются при этом, придают металлу (стали) высокую прочность. Но есть и свои минусы: повышается склонность к хрупкому разрушению. Поэтому для нормализации механических характеристик стали делается ее нагрев до температуры, при которой происходит нужное структурное превращение. В основном это 600 – 680 С. В результате получается сорбит отпуска – структура, в которой сочетаются повышенные прочностные и пластичные свойства стали. Что дает высокую надежность от хрупкого разрушения и разупрочнения при сварке металла. Термическому упрочнению должны подвергаться малоуглеродистая и низколегированная стали.
Еще одним недостатком используемого материала стальных конструкций является старение стали. Это происходит в основном из-за длительной перестройки структуры и прочности и пластичности металла. Старение провоцируют как механическое воздействие и пластическое изменение формы, так и температурные колебания, способствующие изменению растворимости и скорости хаотичного теплового движения атомов в структурной решетке металла. Этому способствует также невысокий нагрев металла (до 200 С). Если происходит пластическое деформирование, то при нагревании быстрота старения резко увеличивается. Стали, загрязненные и насыщенные газами, быстрее также стареют.

 

Закрыть