И их свойства, сортамент металлических изделий

Металл, а именно железо, является первым искусственным материалом в строительстве. В первый период применения металла, с 12 по 17 век, его применяли в виде скреп в каменной кладке и затяжек. Затяжки выковывали из кричного железа и скрепляли через проушины на штырях. В России, одной из первых конструкций такого типа являются затяжки Успенского собора во Владимире (1158 г.) и такие затяжки можно видеть повсеместно в православных храмах вплоть до 19 века. Первой инженерной конструкцией из тех, что сохранились до наших дней, можно считать балочное с подкосами перекрытие коридора в Покровском соборе в Москве, рис. 3.1.

Рис.3.1 Перекрытие коридора В Покровском соборе 1560 г.

Во второй период в 17 веке, в Росси появились конструкции, которые можно назвать инженерными, когда научились сваривать полосы кричного железа кузнечным способом. Примером тому могут служить стропила трапезной Троице-Сергиевой лавры, пролетом 18 м. Это покрытие (1686 – 1696) сохранилось и эксплуатируется до сих пор. Этот же период связан с применением наслонных металлических стропил и пространственных купольных конструкций глав церквей, например каркаса купола колокольни Иван Великий (1603), см. рис. 3.2.

Рис. 3.2. Металлические конструкции XVII века:

а – наслонные стропила; б – каркас купола; в – узел каркаса

Третий период, с начала 18 века, связан с освоением процесса литья чугунных изделий

и деталей. В это время строятся чугунные мосты и перекрытия гражданских и промышленных зданий. Первой чугунной конструкцией в России считается покрытие крыльца Невьянской башни на Урале (1725). Первый чугунный мост в Великобритании был построен в 1779 году и имел пролет 30,6 м. В России первый чугунный мост был построен в Царском Селе в 1784 г. Чугунный мост через реку Мойку (1806) служит в Петербурге до сих пор. В середине XIX века в том же Петербурге был построен Благовещенский (впоследствии Николаевский) мост с семью арочными пролетами от 33 до 47 м. В покрытии Александринского театра в 1827 – 1832 годах были применены железо-чугунные арки пролетом 29,7 м. Проект арок был выполнен Карлом Росси, совместно с инженером М. Кларком. Такого же типа конструкции были применены в перекрытии Зимнего дворца в Петербурге (авторы В.П. Стасов и тот же М.Е. Кларк), ис.3.3.

Рис. 3.3 Перекрытие Зимнего дворца в Петербурге а – полуфермы без раскосов; в – полуфермы с раскосами

Сначала в фермах не было раскосов, они появились позднее. Сжатые стержни ферм часто выполнялись из чугуна, а растянутые из железа. В узлах элементы соединялись на болтах через проушины В гражданском строительстве вершиной искусства в области применения чугуна считается Хрустальный дворец на Всемирной выставке в Лондоне в 1851 г. Здание длиной 563 м и шириной 124 м со сплошным остеклением было построено всего за 6 месяцев. Все колонны дворца, их свыше 3000, и балки были выполнены из чугуна.

Четвертый период становления металлических конструкций, начиная с первой трети XIX столетия, связан с бурным развитием металлургии и процессов обработки металла. В этот период кричный способ получения железа был заменен пудлингованием, а затем и выплавкой стали из чугуна в мартеновских и конвертерных печах. В 30-х годах появились заклепочные соединения, а в 40-х был освоен процесс прокатки листового и профильного металла. Заклепочные соединения получили повсеместное распространение и служили основным видом соединений стальных конструкций в течении столетия. В конце ХIХ века для покрытий больших пролетов стали применяться каркасы рамно-арочной конструкции. Характерным примером такого сооружения служит конструкция дебаркадера Киевского вокзала в Москве, построенного по проекту академика В.Г. Шухова, рис.3.4.

Рис. 3.4. Перекрытие дебаркадера Киевского вокзала в Москве

Мощным толчком к развитию металлических конструкций послужило бурное развитие мостостроения. Принципы проектирования, разработанные здесь, далее были применены в промышленных и гражданских объектах. Основателями русской школы мостостроения выступили инженер С.В. Кербедз и профессора Н.А. Белелюбский и

Л.Д. Проскуряков. С.В. Кербедз является автором Благовещенского моста в Петербурге и железного моста с решетчатыми фермами через р. Лугу (1853). Н.А. Белелюбский впервые применил раскосную решетку для мостовых ферм, разработал первый в России сортамент прокатных профилей, написал первый курс по строительной механике. Л.Д. Проскуряков ввел в мостовые фермы треугольную и шпренгельную решетки и разработал теорию о наивыгоднейшем очертании ферм. Профессор Ф.С. Ясинский наряду с теоретичесими исследованиями в области продольного изгиба стержней известен также как строитель ряда большепролетных мостов. Замечательный вклад в развитие металлических конструкций внес академик В.Г. Шухов. Ему принадлежит приоритет в создании сетчатых конструкций: покрытий, башен, сводов и многих других. В этот же период в начале XIX века получили распространение кабельные и цепные (висячие) мосты, Так, цепной мост через Менейский пролив в Англии имел пролет 176,5 м (1826), а кабельный мост во Фрейбурге в Швейцарии уже 273 м (1840). Развитие способов проката стали привело к появлению мостов из профильного металла. Крупней­шим мостом такого типа был мост «Британия» через тот же Менейский пролив, построенный в 40-е годы XIX в. и имевший пролеты 71,9+2×140+71,9 м. Постепенно строительство из металла начинает применяться наряду с мостостроением и в общественных и производственных зданиях. Так из металла в Марселе фермами типа Полонсо пролетом 52 м перекрывается вокзал и из металла строятся склады лондонских доков. В 1882-1891 гг. в Англии строится Фортский железнодорожный мост с пролетами по 521 м, а в 1889 г. для Всемирной выставки в Париже Эйфелева башня вы­сотой 300 м.

Наконец, современный период развития металлических конструкций начался с внедрения в практику строительства электросварки и сварных соединений. Основателем современной отечественной школы металлических конструкций является профессор

Н.С. Стрелецкий, который разработал основные критерии оценки их прочности и надежности, что явилось основой методики расчета металлоконструкций по предельным состояниям.

В текущем столетии металлостроительство в Европе продолжало усиленно развиваться. Было построено много уникальных сооружений — выставочные павильоны ЭКСПО-58 в Брюсселе, мост «Европа» в Австрии, общественный центр Помпиду в Париже, платформы для добычи нефти в Северном море и многие другие сооружения.

В Америке с конца прошлого века и по настоящее время преимущест­венное развитие получили две области строительства из металла — много­этажное строительство и мостострое­ние висячих систем. Уже в 1931 г. в центре Нью-Йорка за 15 месяцев бы­ло построено здание «Эмпайр Стейт» высотой 319 м с башней на нем вы­сотой 62 м. В настоящее время большинство высотных зданий сосре­доточено именно в США, а самым вы­соким зданием является 110-этажное здание «Сиарс» в Чикаго высотой 445 м. Из мостов висячей си­стемы следует упомянуть построенный в Сан-Франциско в 1937 г. мост «Зо­лотые ворота» со средним пролетом 1280 м. Этот пролет оста­вался долгое время самым большим в мире, и только в последние годы по­стройка моста «Хамбер» в Великобри­тании со средним пролетом 1410 м стодвинуло мост в Сан-Франциско с первого места.

Развитие промышленности и гражданского строительства в конце прошлого и в текущем столетии при­вело к появлению огромного разнообразия металлических конструкций: гражданских зда­ний различного назначения, промышленных зданий с мостовыми кранами большой грузоподъемности, мор­ских платформ для добычи нефти, сооружений связи и транспорта и других сооружений, для несущих кон­струкций которых сталь явилась незаменимым стро­ительным материалом. В середине XX получил свое применение в инженерных конструкциях и такой металл как алюминий. Он широко применяется в стержневых конструкциях, таких как купола, особенно в комбинации с многогранными листовыми элементами.
Материалами для изготовления металлических конструкций служат чугун, сталь и алюминиевые сплавы. Чугун имеет ограниченное применение, в основном в тех промышленных зданиях, где технологический процесс связан с сильной коррозией или в конструкциях работающих на сжатие. Например, для тюбингов при облицовке тоннелей или в деталях опор для тяжелых конструкций. И сталь и чугун представляют собой сплав железа с углеродом. Если углерода содержится в сплаве более 2,14% - это чугун, если менее 1,5 %, то сталь. Стали классифицируются по целому ряду признаков. По прочности стали разделяются на три группы: обычной прочности, с пределом текучести меньшим 3000 кг / см², повышенной – предел текучести от 3000 до 4000 кг / см² и высокой прочности с пределом текучести более 4000 кг / см². В зависимости от степени раскисления стали бывают кипящими, спокойными и полуспокойными. По группам поставки сталь разделяется на три группы. Группа «А» с гарантией механических свойств, «Б» с гарантией химического состава и «В» с гарантией того и другого. Для улучшения прочностных и эксплуатационных свойств стали при ее изготовлении добавляются легирующие добавки в виде марганца, кремния, хрома, никеля, ванадия, титана, молибдена и др. В строительных конструкциях в основном применяют малоуглеродистые стали группы «В» спокойные или полуспокойные с содержанием углерода от 0,09 до 0,22 %.

Алюминиевые сплавы, применяемые в строительстве содержат 90 – 95 % чистого алюминия и специальные добавки, повышающие прочность материала и препятствующие его окислению. Этими добавками может служить марганец и тогда сплав в наименовании будет содержать буквы «АМц», магний «АМг», кремний и магний – сплавы «АД» и наконец, сплавы с примесью цинка и магния. Эти последние сплавы имеют цифровое обозначение.

Основными достоинствами металлических конструкций являются их надежность, прочность, легкость, непроницаемость и индустриальность изготовления. В дополнение к этому алюминиевые конструкции легче стальных, Более коррозиестойкие, не искрят при ударе и хорошо выдерживают низкие температуры. К недостаткам металлических конструкций относятся их склонность к коррозии и невысокая огнестойкость, а сталь еще обладает свойством хладоломкости, т.е. становится хрупкой при низких температурах.

Надежность и долговечность металлических конструкций во многом зависят от свойств материалов. Наиболее важными для работы конструкций являются механические свойства: прочность, упругость, пластичность, твердость, склонность к хрупкому и усталостному разрушению, а также другие свойства: свариваемость, коррозионная стойкость, склонность к старению и технологичность. Прочность металла при его статическом нагружении, его упругие и пластические свойства определяются испытанием стандартных образцов на растяжение. На рис. 3.5. представлены диаграммы различных металлов. Диаграмма представляет собой зависимость между напряжением σ в образце и его относительной деформацией ε. Деформация вычисляется по соотношению:

ε = ∆ ℓ / ℓ, (3.1)

где ℓ - начальная длина образца; ∆ ℓ - удлинение образца.

Основными прочностными характеристиками металла являются временное сопротивление σ_u и предел текучести σ_y. Временное сопротивление это напряжение при при котором деформации образца растут без увеличения нагрузки и без нарушения

Рис.3.5. Определение механических характеристик металла:

а - диаграммы растяжения металлов; в – образец для испытаний на растяжение; в – определение предела пропорциональности и предела упругости; 1 – алюминиевый сплав АМГ6; 2 – низкоуглеродистая сталь;

3 – чугун; 4 – высокопрочная сталь 12ГН2МФАЮ

сплошности материала. При этом на диаграмме образуется площадка текучести, материал «течет». Для металлов не имеющих площадки текучести, определяется условный предел текучести σ₀₂, т.е. такое напряжение при котором остаточное относительное удлинение достигает 0,2 %. Упругая зона работы материала определяется пределом упругости σ_y. При этом напряжении после разгрузи в образце не остается остаточных удлинений. Несколько ниже предела упругости отмечается напряжение σ_p, называемое пределом пропорциональности. До достижения этого напряжения материал работает линейно по закону Гука σ = E ε. В этом соотношении величина E служит коэффициентом пропорциональности и называется модулем упругости материала

Установлено, что с увеличением прочности стали площадка текучести уменьшается, а затем и исчезает совсем. Такой характер деформирования высокопрочных сталей приводит к снижению надежности конструкций. Учитывая, что при расчете металлических конструкций может учитываться как упругая, так и упругопластическая стадия их работы используют две величины их расчетного сопротивления: по пределу текучести R _y и по временному сопротивлению R _u. Для алюминиевых сплавов по аналогии со сталями за предел текучести принимается напряжение при котором относительное остаточное удлинение составляет 0,2 %.

Как известно любое здание образуют несущие и ограждающие конструкции. В качестве несущих конструкций для зданий необходимы, как минимум, опорные конструкции поддерживающие крышу и перекрытия (стены и колонны), а также конструкции поддерживающие собственно перекрытия - балки. Давайте рассмотрим напряженное состояние этих двух видов конструкций. Колонны несут на себе нагрузку и они в основном сжаты. С другой стороны нагрузка может быть подвешена (крановые пути, перекрытия, пролетные строения мостов) и в этом случае опорный элемент может быть растянут. Для этих видов напряженного состояния характерно соотношение:

σ = N / A, (3.2) где: σ напряжение в сечении элемента, N - усилие от внешних нагрузок, A - площадь поперечного сечения элемента.

Эта формула выводится из условий равновесия части элемента. Рассмотрим величину «А» - площадь поперечного сечения. Мы видим, что формула (3.2) не накладывает на эту величину никаких ограничений и мы можем для такого напряженного состояния принять любую простую форму поперечного сечения - круг, квадрат, трубу и т. д. Рассмотрим теперь балку перекрытия. На этот элемент в большинстве случаев действует поперечная нагрузка, которая изгибает его и вызывает напряженное состояние изгиба.

Для изгиба напряжения в волокнах сечения вычисляются следующим образом:

σ = M z / J, (3.3)

где: M - изгибающий момент внешних сил; J - момент инерции сечения; z – расстояние от центра тяжести сечения до рассматриваемого волокна. Максимальные напряжения возникают в крайних волокнах и вычисляются по соотношению

σ_max = M h /(2 J) = M / W, (3.4)

где W - момент сопротивления сечения; h - высота.

Рассмотрим подробней величину W. В общем случае можно записать W = α h² ,

где α - коэффициент. Для балки прямоугольного сечения W = b h²/6. Характер напряженного состояния в поперечном сечения балки виден на рис. 4.2 а. Из рассмотрения эпюры напряжений в сечении видно, что самыми загруженными при изгибе являются наружные волокна, а внутренняя часть сечения недогружена. Отсюда следует вывод, что при при выборе формы сечения для изгибаемых стержней нужно искать такие стержни у которых в поперечном сечении материал сконцентрирован у наружных граней по отношению к плоскости изгиба, например двутавр, см. рис. 3.6. Ясно, что при том же количестве материала что и в случае прямоугольного сечения, используя двутавр можно получить момент внутренних усилий гораздо большей величины.

Заканчивая рассмотрение этих двух видов напряженного состояния, отметим также, что стержни могут подвергаться действию кручения. Отметим без рассмотрения, что этому напряженному состоянию отвечают стержни с поперечным сечением у которого материал распределен по периметру и желательно чтобы этот периметр был замкнут. Такому требованию лучше всего отвечают круглые и квадратные трубы.

Итак: сортамент металлических изделий должен содержать как элементы с простой формой поперечного сечения для восприятия усилий сжатия – растяжения, так и элементы в которых материал сосредоточен как можно дальше от центра сечения для восприятия усилий изгиба и кручения.

Для целей строительства необходимо иметь возможность приобрести или заказать готовые металлические изделия из определенного набора. И такой набор существует в виде сортаментов металлических изделий. Он включает в себя листовую сталь, прокатные профили, канаты, проволочные пряди и другие виды стальных изделий. Существует также сортамент изделий из алюминиевых сплавов. Сортамент стальных прокатных профилей содержит прокатные листы, швеллеры, двутавры, тавры, уголки (равнобокие и неравнобокие), листовую и полосовую сталь, трубы (см. рис. 3.7, а) и другие виды изделий, а также гнутые и сварные профили из тонкой листовой стали.

Двутавры выпускаются нормальные с наклонными гранями полок и с параллельными полками, которые в свою очередь подразделяются на нормальные, широкополочные колонные и широкополочные для крановых балок. Прокаткой из тонкого листа получают и профилированный настил. Сортамент изделий из алюминиевых сплавов содержит уголки, двутавры, швеллеры, трубы и несимметричные профили разной формы. Способ их изготовления в виде экструзии позволяет выпускать профили сложной формы с усилением в виде «бульб» на кромках, рис 3.7, б. В сортаменте каждый профиль снабжается обширной информацией содержащей наименование профиля,

Рис. 3.7. Сортамент основных конструкционных профилей:

а - прокатных стальных; б – прессованных алюминиевых

погонного метра профиля и необходимые для расчета геометрические характеристики. Важно представлять себе следующее. Весь сортамент стальных профилей, стальной и алюминиевый листы производятся методом проката. Для их изготовления на металлургических заводах необходимы прокатные станы. То есть, если поставить себе целью изготовить новый профиль - для этого необходимо будет построить новый прокатный стан. Другое дело изделия из алюминия. Алюминиевые профили изготавливаются методом экструзии и для получения нового профиля необходимо изготовить только фильеру (матрицу) через которую он будет продавливаться. Стоит такая фильера всего несколько тысяч долларов.

Лекция 4