Сталь
По своему химическому составу стали делятся на углеродистые (нелегированные), низколегированные и высоколегированные.
Все стали, в том числе и нелегированные, кроме углерода содержат другие элементы (легирующие добавки и примеси), количество которых в основном определяет свойства стали. В сталях для изготовления сварных конструкций особенно важно ограниченное содержание углерода.
Влияние химического состава стали и технологии производства на ее свойства хорошо изучено. Количество углерода и легирующих добавок возможно регулировать в очень узких пределах, благодаря чему однородность структуры и механические свойства стали гарантируются металлургическими заводами. Поэтому строительные правила допускают использование прочностных свойств стали при сравнительно небольшом коэффициенте безопасности против отказа.
Марки строительной стали
В строительстве применяют обычные строительные стали по DJN 17100 и некоторые другие марки. К обычным строительным сталям относятся нелегированная сталь для широкого использования в строительстве — St37 (по Европейским нормам Fe 37) и низколегированная строительная сталь — St52 (Fe 52).
Кроме того, в строительстве применяют атмосферостойкие стали, нержавеющие стали и высокопрочные стали.
Физические свойства
Применяемые в строительстве стали разных марок обладают одинаковыми физическими свойствами:
- плотность (объемный вес) γ=7,85 кг/дм3
- коэффициент линейного расширения αt=12·10-61/°C
- модуль упругости Е=2,1·106 кгс/см2
Сортамент
Строительная сталь выпускается заводами в виде горячекатаных профилей (сортовая сталь, фасонная сталь) и листов (листовая сталь, широкополосная полосовая). Некоторая продукция дополнительно подвергается холодной обработке (холоднотянутые полосы и некоторые сорта проволоки). Стальное литье и поковки применяются в основном для опорных плит.
Обычные строительные стали
Для применения строительных сталей важно знать их механические и технологические свойства.
Механические свойства
О механических свойствах строительных сталей дает представление диаграмма δ—ε , получаемая при испытании образца на растяжение.
Зона упругой работы: известно, что до предела упругости δE относительное удлинение очень мало и пропорционально напряжению δ. Модуль упругости Е=δ/ε в этой зоне постоянен. До предела упругости $δE деформации обратимы, т. е. образец после разгрузки вновь принимает исходную длину. Выше предела упругости к упругому удлинению добавляется еще остаточное удлинение (результат пластических деформаций).
Под пределом текучести σT при растяжении понимают то напряжение, при котором начинают проявляться пластические деформации. Если на диаграмме предел текучести выражен не отчетливо, что характерно для высокопрочных строительных сталей, то вместо него условно принимают напряжение, при котором остаточное относительное удлинение составляет 0,2%.
Зона пластической работы: если образец нагружать выше σT то в нем появляются остаточные деформации, связанные с изменением объема. После разгрузки испытанный образец имеет длину, несколько большую, чем до первого нагружения, но прочность и упругость стали при этом не изменяются. Повторные нагружения выше предела текучести позволяют расширить зону упругой работы материала. При напряжении, значительно превышающем предел текучести, деформации нарастают при незначительном увеличении усилия до момента разрушения образца.
Относительное удлинение при разрыве очень велико. Оно составляет более 20% (см. табл. 1) и служит важнейшим критерием для оценки качества стали. Это свойство стали повышает надежность стальных конструкций. Большие деформации своевременно указывают на наличие чрезмерных напряжений. Следует также отметить, что некоторая перегрузка, или дополнительное воздействие, связанное с изменением температуры (в статически неопределимых системах), не приводит к появлению напряжений, существенно превышающих предел текучести, благодаря развитию пластических деформаций в отдельных сечениях элементов конструкции.
Допускаемые напряжения [σ] устанавливают по величине предела текучести, т. е. напряжения, при котором возникают остаточные деформации. Для обеспечения необходимой при эксплуатации безопасности допускаемые напряжения принимают несколько меньшими предела текучести. Коэффициент безопасности по нормам ФРГ для элементов конструкций, работающих на растяжение и изгиб:
при действии основных нагрузок
при действии основных и дополнительных нагрузок
Расчет на прочность: пластические свойства стали, проявляющиеся при напряжении выше предела текучести, в некоторых случаях определяют дополнительные резервы несущей способности конструкций.
Они используются при расчете на прочность. При этом разрушение несущей конструкции рассматривается как граница отказа, который наступает тогда, когда пластические деформации пронизывают всю площадь поперечного сечения в одном или нескольких сечениях элемента (например, в неразрезных балках поперечные сечения над опорами и в середине пролетов). Чтобы избежать разрушения, необходимо соблюдать установленный нормами интервал безопасности, величина которого для различных случаев нагрузки различна.
Технологические свойства
Технологические свойства стали выявляются путем соответствующих испытаний. Ударная вязкость и температура перехода в хрупкое состояние характеризует пригодность применения стали в сварных конструкциях. Качество сварки зависит не только от марки стали, но и от способа сварки и наплавляемого металла, а также от конструктивного решения свариваемого элемента.
Обозначение марок строительных сталей (табл. 1)
Основными строительными сталями по DIN 17 100 (Европейские нормы 25) являются St37 (Fe 37) и St52 (Fe 52). Цифры соответствуют минимальному значению предела прочности при растяжении в кг с/мм2. Группа качественности 1-2-3 указывается после обозначения марки стали, а впереди — состояние стали при разливке (U — кипящая, R — полуспокойная, RR — спокойная); кроме того, может быть помечено состояние поставки (U — неотожженная, N — нормально закаленная).
Эти обозначения качества необходимы для оценки пригодности применения стали в сварных конструкциях и для элементов, работающих на динамические нагрузки. Ответственность за выбор стали лежит на инженере-проектировщике, а также на предприятии, изготовляющем стальные конструкции.
Допускаемые напряжения
Принятые в ФРГ допускаемые напряжения стали для конструкций, применяемых в высотном строительстве, приведены в табл. 1 и показаны на диаграмме 1.
Специальные стали
Атмосферостойкие стали (WT-стали)
Нелегированная строительная сталь корродирует при доступе влаги. Образующийся при этом рыхлый чешуйчатый слой ржавчины не препятствует дальнейшему развитию коррозии. Если сталь в процессе выплавки легировать небольшим количеством хрома, меди, а в определенных случаях фосфором, а также никелем, то на поверхности прокатного изделия, находящегося в обычных атмосферных условиях, со временем образуется плотный слой, который защищает сталь от дальнейшего окисления на воздухе. Конструкции из таких слаболегированных атмосферостойких сталей могут эксплуатироваться во многих случаях без защитного покрытия.
Образование защитного слоя протекает в зависимости от климатических условий, в которых эксплуатируются стальные конструкции, от двух до четырех лет. Развитию ржавчины способствует смена сухости и влажности, а также и удаление окалины. В закрытых, не доступных наружному воздуху объемах этот процесс протекает медленно. Поэтому в закрытых помещениях, как правило, атмосферостойкая сталь не применяется. В очень агрессивной среде, как, например, в непосредственной близости от моря или в некоторых промышленных зонах, атмосферостойкая сталь ведет себя, как обычная сталь, и защитный слой на ней не образуется. В процессе коррозии с поверхности стали отделяются пластинки ржавчины — наиболее интенсивно в первый год, как это показывает диаграмма 2. Ржавчина смывается дождем, что может привести к окрашиванию конструкций из некоторых строительных материалов, например бетона, кирпичной кладки, естественного камня. На других материалах, например на стекле, пластмассе, образуется крепко удерживающийся налет. С большинства строительных материалов следы ржавчины удаляют соответствующими химикатами (по указанию завода-изготовителя). Уже при конструировании следует учитывать возможность коррозии стали.
Атмосферостойкие строительные стали применяются как для несущих конструкций, так и для фасадов. Они могут быть использованы для тех же конструкций, что и обычные строительные стали. Под плотно прилегающими, пластичными или упругими искусственными материалами, такими, как шпаклевка для швов или под уплотняющими профилями, сталь не ржавеет.
Атмосферостойкие стали имеют обозначение WT 37-2, WT 37-3 и WT 52-3. Они обладают теми же прочностными свойствами, что и обычные стали соответствующих марок. Для сварки используют электроды из атмосферостойкой стали.
Разница в ценах атмосферостойкой и обычной строительной стали приблизительно равна стоимости антикоррозионной защиты с двух сторон листа толщиной 10 мм путем окраски по двум слоям грунтового покрытия. Применение WT-стали в конструкциях из толстостенных профилей дороже, чем из тонкостенных.
Атмосферостойкие стали не требуют ухода. Повреждение защитных слоев восстанавливается само собой. Сталь в зависимости от состава легирующих элементов имеет цвета от темно-коричиевого до фиолетового, что дает возможность добиться отличного цветового воздействия.
Нержавеющие стали
Нержавеющие стали, применяемые в строительстве, содержат более 12% хрома и до 1 % кремния и марганца. Особовысококачественные нержавеющие стали, кроме того, легируются молибденом и никелем. Нержавеющие стали устойчивы против химически агрессивных веществ. В ФРГ эти стали определены нормами DIN 17440.
Из-за высокой стоимости нержавеющие стали находят применение в строительстве лишь в ограниченном количестве: в качестве закладных деталей в наружных стенах, в местах, недоступных для осмотра и восстановления противокоррозионной защиты, а также в виде тонких листов и профилей на фасадах, для окон, дверей, поручней перил и т. д.
Высокопрочные строительные стали (мелкозернистые строительные стали)
В некоторых случаях находят применение низколегированные высокопрочные строительные стали, имеющие гарантированный предел текучести до 70 кгс/мм2 и мелкозернистую структуру. Вследствие малого содержания углерода они обладают хорошей свариваемостью. Имеется также много других марок стали, прочность которых определяется легирующими добавками. В ФРГ для стальных конструкций находят применение стали марок S1E47 и S1E70. Следующее за буквой Е число обозначает предел текучести в кгс/мм2.
Повышенные пределы текучести этих высокопрочных сталей используются только в элементах, работающих на растяжение, или в сжатых малой длины. Во всех случаях, когда расчет на устойчивость является решающим, применение дорогой высокопрочной стали для сжатых элементов оказывается невыгодным. Поэтому при проектировании в одной конструкции иногда применяют несколько различных марок стали. В высоких зданиях, например, часто применяют для колонн нижних этажей высокопрочные стали, а для колонн верхних этажей — обычные строительные стали.