Пластичность стали при этом несколько снижается, и протяженность площадки текучести уменьшается до 1-1,5%.
Стали повышенной прочности несколько хуже свариваются (особенно стали с высоким содержанием кремния) и требуют иногда использования специальных технологических мероприятий для предотвращения образования горячих трещин.
По коррозионной стойкости большинство сталей этой группы близки к низкоуглеродистым сталям.
Более высокой коррозионной стойкостью обладают стали с повышенным содержанием меди (С345Д, С375Д, С390Д).
Мелкозернистая структура низколегированных сталей позволяет значительно повысить их сопротивление хрупкому разрушению.
Высокое значение ударной вязкости сохраняется при температуре -40°С и ниже, что позволяет использовать эти стали для конструкций, эксплуатируемых в северных районах. За счет более высоких прочностных свойств применение сталей повышенной прочности приводит к экономии металла до 20-25%.
1.2.5. Стали высокой прочности (ёу> 40 кН/см ). Прокат стали высокой прочности (С440-С590) получают, как правило, путем легирования и термической обработки.
Для легирования используются нитридообразующие элементы, способствующие образованию мелкозернистой структуры.
Стали высокой прочности могут не иметь площадки текучести (при ёу > 50 кН/см), и их пластичность (относительное удлинение) снижается до 14% и ниже.
Отношение & у1 ё и увеличивается до 0,8-0,9, что не позволяет учитывать при расчете конструкций из этих сталей пластические деформации.
Подбор химического состава и режима термообработки позволяет значительно повысить сопротивление хрупкому разрушению и обеспечить высокую ударную вязкость при температуре до -70°С. Определенные трудности возникают при изготовлении конструкций. Высокая прочность и низкая пластичность требуют более мощного оборудования для резки, правки, сверления и других операций.
При сварке термообработанных сталей вследствие неравномерного нагрева и быстрого охлаждения в разных зонах сварного соединения происходят различные структурные превращения. На одних участках образуются закалочные структуры, обладающие повышенной прочностью и хрупкостью (жесткие прослойки), на других металл подвергается высокому отпуску и имеет пониженную прочность и высокую пластичность (мягкие прослойки).
Разупрочнение стали в околошовной зоне может достигать 5-30%, что необходимо учитывать при проектировании сварных конструкций из термообработанных сталей.
Введение в состав стали некоторых карбидообразующих элементов (молибден, ванадий) снижает эффект разупрочнения.
Применение сталей высокой прочности приводит к экономии металла до 25-30% по сравнению с конструкциями из низкоуглеродистых сталей и особенно целесообразно в большепролетных и тяжело нагруженных конструкциях.
1.2.6. Атмосферостойкие стали. Для повышения коррозионной стойкости металлических конструкций применяют низколегированные стали, содержащие в небольшом количестве (доли процента) такие элементы, как хром, никель и медь.
В конструкциях, подвергающихся атмосферным воздействиям, весьма эффективны стали с добавкой фосфора (например, сталь С345К). На поверхности таких сталей образуется тонкая оксидная пленка, обладающая достаточной прочностью и защищающая металл от развития коррозии. Однако свариваемость стали при наличии фосфора ухудшается. Кроме того, в прокате больших толщин металл обладает пониженной хладностойкостью, поэтому применение стали С345К рекомендуется при толщинах не более 10 мм.
В конструкциях, совмещающих несущие и ограждающие функции (например, мембранные покрытия), широко применяется тонколистовой прокат. Для повышения долговечности таких конструкций целесообразно применение нержавеющей хромистой стали марки ОХ18Т1Ф2, не содержащей никеля. Механические свойства стали ОХ18Т1Ф2: S = 50 кН/см , Ъ у = = 36 кН/см, 15 > 33%. При больших толщинах прокат из хромистых сталей обладает повышенной хрупкостью, однако свойства тонколистового проката (особенно толщиной до 2 мм) позволяют применять его в конструкции при расчетных температурах до -40°С.
1.2.7. Выбор сталей для строительных металлических конструкций. Выбор стали производится на основе вариантного проектирования и технико-экономического анализа с учетом рекомендаций норм. В целях упрощения заказа металла при выборе стали следует стремиться к большей унификации конструкций, сокращению числа сталей и профилей. Выбор стали зависит от следующих параметров, влияющих на работу материала:
температуры среды, в которой монтируется и эксплуатируется конструкция; этот фактор учитывает повышенную опасность хрупкого разрушения при пониженных температурах;
характера нагружения, определяющего особенность работы материала и конструкций при динамической, вибрационной и переменной нагрузках;
вида напряженного состояния (одноосное сжатие или растяжение, плоское или объемное напряженное состояние) и уровня возникающих напряжений (сильно или слабо нагруженные элементы);
способа соединения элементов, определяющего уровень собственных напряжений, степень концентрации напряжений и свойства материала в зоне соединения;
толщины проката, применяемого в элементах; этот фактор учитывает изменение свойств стали с увеличением толщины.
В зависимости от условий работы материала все виды конструкций разделены на четыре группы.
К первой группе относятся сварные конструкции, работающие в особо тяжелых условиях или подвергающиеся непосредственному воздействию динамических, вибрационных или подвижных нагрузок (например, подкрановые балки, балки рабочих площадок или элементы эстакад, непосредственно воспринимающих нагрузку от подвижных составов, фасонки ферм и т.д.). Напряженное состояние таких конструкций характеризуется высоким уровнем и большой частотой загружения.
Конструкции первой группы работают в наиболее сложных условиях, способствующих возможности их хрупкого или усталостного разрушения, поэтому к свойствам сталей для этих конструкций предъявляются наиболее высокие требования.
Ко второй группе относятся сварные конструкции, работающие на статическую нагрузку при воздействии одноосного и однозначного двухосного поля растягивающих напряжений (например, фермы, ригели рам, балки перекрытий и покрытий и другие растянутые, растянуто-изгибаемые и изгибаемые элементы), а также конструкции первой группы при отсутствии сварных соединений.
Общим для конструкций этой группы является повышенная опасность хрупкого разрушения, связанная с наличием поля растягивающих напряжений. Вероятность усталостного разрушения здесь меньше, чем для конструкций первой группы.
К третьей группе относятся сварные конструкции, работающие при преимущественном воздействии сжимающих напряжений (например, колонны, стойки, опоры под оборудование и другие сжатые и сжато-изгибаемые элементы), а также конструкции второй группы при отсутствии сварных соединений.
В четвертую группу включены вспомогательные конструкции и элементы (связи, элементы фахверка, лестницы, ограждения и т.п.), а также конструкции третьей группы при отсутствии сварных соединений.
Если для конструкций третьей и четвертой групп достаточно ограничиться требованиями к прочности при статических нагрузках, то для конструкций первой и второй групп важна оценка сопротивления стали динамическим воздействиям и хрупкому разрушению.
В материалах для сварных конструкций обязательно следует оценивать свариваемость. Требования к элементам конструкций, не имеющих сварных соединений, могут быть снижены, так как отсутствие полей сварочных напряжений, более низкая концентрация напряжений и другие факторы улучшают их работу.
В пределах каждй группы конструкций в зависимости от температуры эксплуатации к сталям предъявляются требования по ударной вязкости при различных температурах.
В нормах содержится перечень сталей в зависимости от группы конструкций и климатического района строительства.
Окончательный выбор стали в пределах каждой группы должен выполняться на основании сравнения технико-экономических показателей (расхода стали и стоимости конструкций), а также с учетом заказа металла и технологических возможностей завода-изготовителя. В составных конструкциях (например, составных балках, фермах и т.п.) экономически целесообразно применение двух сталей: более высокой прочности для сильно нагруженных элементов (пояса ферм, балок) и меньшей прочности для слабо нагруженных элементов (решетка ферм, стенки балок).
1.2.8. Алюминиевые сплавы. Алюминий по своим свойствам существенно отличается от стали. Его плотность j) = 2,7 т/м, т.е. почти в три раза меньше плотности стали. Модуль продольной упругости алюминия Е = = 71 ООО МПа, модуль сдвига G = 27 ООО МПа, что примерно в три раза меньше, чем модуль продольной упругости и модуль сдвига стали.
