Материал: Строительные металлы и сплавы

Строительные металлы и сплавы

1. СТРОИТЕЛЬНЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ

Из всего многообразия металлов в строительстве применяется главным образом сплавы на основе железа. На данный момент в строительных конструкциях применяется по большей части углеродистая и легированная сталь.

Стальные конструкции применяются главным образом для каркасов большепролётных зданий и сооружений, для цехов с тяжёлым крановым оборудованием, домен, резервуаров большой ёмкости, мостов, сооружений башенного типа и др. Области применения стальных и железобетонных конструкций в ряде случаев совпадают. При этом выбор типа конструкций производится с учётом соотношения их стоимостей, а также в зависимости от района строительства и местонахождения предприятий строительной индустрии. Существенное преимущество стальных конструкций (по сравнению с железобетонными) - их меньшая масса. Этим определяется целесообразность их применения в районах с высокой сейсмичностью, труднодоступных областях Крайнего Севера, пустынных и высокогорных районах и т.п. Расширение объёмов применения сталей высокой прочности и экономичных профилей проката, а также создание эффективных пространственных конструкций (в т. ч. из тонколистовой стали) позволят значительно снизить вес зданий и сооружений.

.1 СОСТАВ СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МЕТАЛЛОВ

.1.1 УГЛЕРОДИСТЫЕ СТАЛИ

По химическому составу стали делятся на углеродистые и легированные. Углеродистые стали представляют собой сплавы железа Fe с углеродом C при неизбежном наличии примесей других химических элементов.

В строительных конструкциях, как правило, используются улеродистые стали обыкновенного качества.

По показателям нормирования качества стали обыкновенного качества подразделяются на три группы:

группа А - нормируются механические характеристики (в, т, , изгиб);

группа Б - нормируется химический состав (C, Mn, Si и др.);

группа В - нормируются механические характеристики и химический состав.

С возрастанием цифры в марке стали обыкновенного качества группы А (табл. 1.5) увеличиваются прочность и твердость, но снижаются пластичность и ударная вязкость стали. Это происходит за счет изменения химического состава, в первую очередь - содержания углерода.

Таблица 1. Механические свойства сталей группы А

Стали группы Б различаются (табл. 1.6) по химическому составу. С ростом цифры в марке стали (БСт0, БСт1, БСт2, БСт3, БСт4, БСт5, БСт6) увеличивается содержание углерода, кремния и марганца. Естественно, что это приводит к увеличению прочности и пластичности и к снижению ударной вязкости.

Таблица 2. Химический состав сталей группы Б, %

Стали группы В нормируются как по химическому составу, так и по механическим характеристикам: ВСт1, ВСт2, ВСт3, ВСт4, ВСт5.

Стали обыкновенного качества выпускаются в виде проката: швеллер, труба, лист, пруток, балка и т. д.

Углеродистые стали специального назначения (мосто- и судостроения, сельскохозяйственного машиностроения) имеют дополнительные индексы. Например, для мостовых конструкций используется сталь Ст3мост.

железобетонный панель перекрытие огнестойкость

1.1.2 ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ

Углеродистые стали имеют недостаточную прочность, повышенную склонность к старению и низкую коррозийную стойкость, плохо прокаливаются, хрупки при низких температурах и т. д. Поэтому очень важно улучшить эксплуатационные характеристики сталей, получить стали с особыми свойствами, например, жаропрочные, нержавеющие и др. Это достигается изменением химического состава стали.

Сталь называется легированной, если в нее вводятся специальные (легирующие) элементы, изменяющие ее свойства (табл. 1.7), или в ней имеется более 1 % Si, или Mn. Эти легирующие элементы в буквенном виде включаются в марки сталей.

Таблица 3

Число в начале марки конструкционной стали указывает на содержание углерода в сотых долях %, а цифры после соответствующих букв - среднее содержание этого химического элемента в %. Если после буквенного обозначения нет цифры, то данного элемента находится в стали около 1 %.

Таблица 4. Влияние углерода и легирующих элементов на свойства сталей*

* Условные обозначения 0 - не влияет

Применение низколегированных строительных сталей (10ХСНД, 15ХСНД, 16ГС, 16Г2СД, 09Г2, 14Г2 и др.) позволяет снизить вес строительных конструкций, повысить коррозионную стойкость, снизить чувствительность к низким температурам и к старению.

.1.3 АРМАТУРНЫЕ СТАЛИ

Имеется 7 классов (табл. 1.9) арматурной стали: А-I - круглого профиля; А-II, …, А-VI - периодического профиля (для повышенного сцепления с бетоном).

Таблица 5. Механические свойства арматурной стали по классам

Основной характеристикой для арматурных сталей является предел текучести т, т. к. в случае его превышения нарушается сцепление бетона с арматурным стержнем, и появляются трещины в бетоне. Для увеличения предела текучести т проводят упрочнение арматуры путем предварительного растягивания (Lр) стальных стержней арматуры на 3,5-5,5 % их первоначальной длины (L0).

При растягивании происходят зональные разрушения в кристаллической решетке, возникает «наклеп», т. е. происходит упрочнение материала в наименее «слабых» сечениях. После предварительного растяжения начальная длина стержня увеличивается до Lу, а площадка текучести то после предварительного растяжения ту перемещается по оси ординат выше.

При работе предварительно деформированного стержня его растяжение происходит по пунктирной линии; прочность железобетона существенно возрастает, т. к. ту > то.

.2 ПОВЕДЕНИЕ ПРИ НАГРЕВАНИИ

Металл отличается высокой теплопроводностью. Это приводит к тому, что в условиях пожара незащищенные металлические конструкции быстро прогреваются до температур, превышающих 400-500°С. Под воздействием этих температур и нормативной нагрузки интенсивно развиваются температурные деформации и деформации ползучести. Это приводит к быстрому обрушению металлических колонн, балок (в пределах всего 0,12-0,25 часа), потере ограждающей и теплоизолирующей способностей ограждений .

Например в 1984 году сгорело здание стоянки автобусов в Воронеже выполненное из лёгких металлических конструкций. Здание имело размеры 54x96 м. и высоту 10 м. Стены здания были выполнены из 3-х слойных асбоцементных панелей с пенополиуретановым утеплителем. В покрытии был уложен металлический профилированный настил, с пенополистирольным утеплителем и рулонным водоизоляционным ковром. Несущие конструкции здания - металлические колонны с шагом 12x18м и структурное металлическое покрытие типа "Берлин". Пожар начался с загорания одного из автобусов. Через 30 минут после безуспешных попыток потушить пожар первичными средствами поступило сообщение в пожарную охрану. Через 6 минут после сообщения о пожаре произошло обрушение конструкций покрытия на площади более 3000 м2. Через 4 минуты после первого обрушения произошло второе обрушение на всей площади здания (5184 м2). В результате пожара огнем было полностью уничтожено здание стоянки с 87 автобусами "Икарус".

1.3 МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ОГНЕСТОЙКОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ

Металлы отличаются высокой теплопроводностью, поэтому их огнезащита заключается в создании на поверхности металлических элементов конструкций теплоизолирующих экранов, выдерживающих воздействие огня или высоких температур.

Наличие теплоизолирующих экранов позволяет конструкциям при пожаре замедлить прогревание металла и сохранить свои функции в течение определенного времени, то есть до наступления критической температуры, при которой начинается потеря несущей способности.

Можно выделить следующие способы огнезащиты стальных конструкций:

облицовка конструкций огнезащиты плитными материалами или установка огнезащитных экранов на относе (конструктивный способ);

нанесение непосредственно на поверхность конструкций огнезащитных покрытий (обмазка, окраска, напыление и т.д.);

нанесение непосредственно на поверхность конструкций огнезащитных тонкослойных вспучивающихся красок;

комбинированный (композиционный) способ, представляющий собой рациональное сочетание различных способов огнезащиты.

Огнезащитная эффективность составов подразделяется на 5 групп:

1-я - не менее 150 мин;

2-я - не менее 120 мин;

3-я - не менее 60 мин;

4-я - не менее 45 мин;

5-я - не менее 30 мин.

При определении группы огнезащитной эффективности составов не рассматриваются результаты испытаний с показателями менее 30 мин.

Также эффективным способом является спринклерное орошение элементов конструкции.