Основні властивості металевих конструкцій І напрями їх розвитку




Сторінка1/5
Дата конвертації29.12.2016
Розмір0,85 Mb.
  1   2   3   4   5
ГЛАВА 2.

ОСНОВНІ ВЛАСТИВОСТІ МЕТАЛЕВИХ КОНСТРУКЦІЙ І НАПРЯМИ ЇХ РОЗВИТКУ
2.1. Загальні відомості про галузі й перспективи застосування

металевих конструкцій
У будівництві застосовують різноманітні металеві конструкції, форма і конструктивне вирішення яких найчастіше залежать від призначення:

  • елементи металевих чи змішаних каркасів виробничих будівель — балки, прогони, ферми, ригелі, колони, з'єднання тощо;

  • листові конструкції, до яких належать трубопроводи великих діаметрів, місткості для зберігання рідин (резервуари), газів (газгольдери), сипких матеріалів (бункери і силоси), споруди і установки металургійних, нафтопереробних, хімічних виробництв, об'єктів енергетики (захисні й несучі оболонки домен, повітронагрівачів, ректифікаційних колон, реакторів тощо);

  • висотні споруди — вежі й щогли ліній радіо-та телезв'язку, мереж електропередач, бурові вежі, геодезичні знаки, димові й вентиляційні труби;

  • конструкції автомобільних та залізничних мостів, естакади підприємств;

  • рухомі конструкції мостових, баштових і портальних кранів, великих екскаваторів, гідротехнічні споруди тощо;

  • каркаси багатоповерхових (висотних) цивільних будівель;

  • великопрольотні конструкції покрівель ангарів, цехів авіа, судно та машинобудування, лабораторій, громадських споруд (театрів, кіноконцертних залів, ринків, критих стадіонів, виставкових павільйонів);

  • інші конструкції, до яких висувають особливі вимоги, наприклад, пов'язані з дослідженням космосу, атомною енергетикою тощо.

Широке застосування металевих конструкцій у будівництві є наслідком таких основних позитивних характеристик: висока надійність, зумовлена однорідністю металу; легкість (високі міцності й модулі пружності сталей і алюмінієвих сплавів зумовлюють меншу їх масу порівняно з аналогічними залізобетонними чи дерев'яними); індустріальність (металеві конструкції виготовляють з готових прокатних, пресованих чи гнутих профілів, найчастіше на високомеханізованих підприємствах, монтують їх спеціалізовані організації з мінімальними витратами ручної праці, вони мають високий ступінь заводської готовності); непроникність для рідин і газів, високі захисні властивості від впливу іонізуючих та інших шкідливих випромінювань.

Одночасно суттєвими є недоліки металевих конструкцій, а саме:

недостатня корозійна стійкість, спричинена високою хімічною активністю металу внаслідок взаємодії з різними реагентами середовища і його руйнуванням при переході в оксиди, солі та інші сполуки; мала вогнестійкість внаслідок швидкого нагрівання елементів металевих конструкцій до температури переходу в пластичний стан через високу теплопровідність металу та невеликі розміри перерізів. У сталях при температурах, вищих 20°С, спостерігається зменшення модуля пружності, що призводить до зростання деформації конструкцій, а при 60°С вони повністю переходять у пластичний стан. Алюмінієві сплави стають пластичними при температурах, близьких до 300°С.

Сучасний підхід до застосування металевих конструкцій передбачає створення оптимальної конструктивної форми, економічної на всіх етапах виготовлення, монтажу та експлуатації. Основні критерії її вибору:

  • відповідність функціонального призначення будівлі та споруди умовам експлуатації і технологічним вимогам виробництва;

  • достатня несуча здатність, надійність і довговічність;

  • щонайменші маса та трудомісткість виготовлення і монтажу конструкцій;

  • мінімальна вартість як кожної окремої конструкції, так і будівлі в цілому;

  • висока продуктивність монтажу;

  • відповідність умовам потокового високомеханізованого та автоматизованого виготовлення (найменша кількість типорозмірів конструкцій, зручні для переміщення потоковими лініями габарити елементів, можливість поділу конструкцій на частини, що поступово укрупнюються):

  • естетичність зовнішнього вигляду;

  • зручність догляду під час експлуатації.

На сучасному етапі розвитку капітального будівництва простежується тенденція до зростання обсягів використання металу. Водночас обмеженість сировинної бази та енергетичних ресурсів диктує вимогу зменшення металомісткості продукції.

У будівництві найсуттєвішої економії металу досягають при підвищенні його міцнісних характеристик, тобто при застосуванні сталей підвищеної та високої міцності, ширшому запровадженні алюмінієвих сплавів, економічніших профілів і прогресивних конструктивних форм.

Сьогодні налагоджено виплавляння сталей з карбонітридним зміцненням, придатних для зварних конструкцій. Для відповідальних конструкцій використовують сталі з межею текучості 450...600МПа. Розроблені й запроваджені у виробництво високоміцні, економно леговані сталі з межею текучості 750МПа для зварних конструкцій. Ведуться дослідження нових марок сталі з межею текучості до 900МПа, створено й запроваджено атмосферостійкі сталі, що мають підвищені антикорозійні властивості. Розробляються нові економічні марки напівспокійних сталей з межею текучості 330...360 МПа, що не містять дефіцитних легуючих домішок. Дедалі ширше визнання отримують конструкції алюмінієвих сплавів. Дослідження свідчать, що для прольотів, які перевищують 50 м, такі конструкції економічніші за сталеві. Особливо ефективні рухомі конструкції кранових мостів, кранів-перевантажувачів, розвідних мостів та інші. Однак найбільше застосування алюмінієві сплави мають в огороджувальних конструкціях.

Активні експериментальні й теоретичні дослідження виконують у напрямі оптимізації форми прокатних і холодно формованих профілів та розширення їх сортаменту, особливо таких широковживаних, як двотаврові, швелерні, кутникові, трубні тощо.

Створення попередньо напружених металевих конструкцій зі штучним регулюванням зусиль дає змогу досягнути сприятливого розподілу останніх шляхом активного втручання у роботу окремих конструкцій чи їх систем і таким чином зменшити витрату металу.

Особливий інтерес викликають конструктивні форми стержнів і поверхонь, які працюють тільки на розтяг. Ідея використання розтягнених елементів випливає з суті роботи сталі. При розтягу маса елемента обернено пропорційна межі міцності матеріалу. Тому підвищення механічних характеристик супроводжується зменшенням площі перерізу і, відповідно, маси. На відміну від розтягнених у стиснених елементах І елементах, які згинаються, зменшення маси не пропорційне зростанню механічних характеристик, оскільки жорсткість таких елементів мало пов'язана зі зміною міцності матеріалу.

Зменшенню металомісткості будівель сприяє концентрація матеріалу та поєднання функцій. Наприклад, значно вигідніше збудувати один резервуар об'ємом 50 тис. м3, ніж десять по 5 тис. м3 кожний. Збільшення об'єму домни з 1 до 5 тис. м3 зменшує витрати металу на одиницю потужності більш як на 20 %. Ідея поєднання функцій знайшла втілення в підкраново-підкроквяних конструкціях, тонкостінних оболонках великих прольотів, багато прольотних конструкціях покрівель блокового типу, а також легких конструкціях, що поєднують роботу тонких листів і несучого кістяка.

На стадії виготовлення та монтажу найбільший ефект дає уніфікація об'ємно-планувальних рішень і типізація конструктивних форм, яка зумовлює збільшення повторюваності вузлів, окремих деталей, елементів конструкцій і тим самим сприяє підвищенню рівня механізації та автоматизації процесів. Крім того, проекти багаторазового використання (у тому числі типові) відзначаються вищим технічним рівнем. При їх використанні економія сталі досягає 10 %, а продуктивність праці зростає на 10... 12 %.

Перспективним є створення несучих і огороджуючих конструкцій, які складаються таким чином, що елементи всієї будівлі чи її частини після виготовлення на заводі в контейнері або у вигляді габаритної відправної марки подаються на монтаж, де їх найпростішими способами розправляють і встановлюють у проектне положення. Останнім часом розроблені плоскі й просторові конструкції такого типу у вигляді кроквяних систем, циліндричних і кулястих склепінь та інші.
2.2. Матеріали металевих конструкцій
Більшість будівельних металевих конструкцій виготовляють з прокатної сталі, її частка становить близько 95 % всього обсягу металевих конструкцій; конструкцій з алюмінієвих сплавів — близько 5 %, а виливків зі сталі та чавуну — менше 1 %.

Перевага сталі як матеріалу для металевих конструкцій зумовлена високою міцністю та значно нижчою вартістю і енергомісткістю порівняно з алюмінієвими сплавами. Окрім цього, сталь має вищі значення модуля пружності, межі витривалості, вогнестійкості, менший коефіцієнт лінійного розширення, а також простіше зварюється.

Однак необхідно зазначити, що обсяги використання алюмінієвих сплавів у будівництві зростають з року в рік. Цьому сприяє збільшення виробництва алюмінію та зниження його вартості. За останні 30 років відношення вартості 1м3 алюмінію до вартості 1м3 сталі зменшилося з 5,7 до 2,2 раза. Переваги алюмінієвих сплавів — значно ширша сировинна база, менша щільність, вища корозійна стійкість, простота формоутворення профілів, вища транспортабельність.
2.2.1. Сталі, що використовуються у будівництві
Сталь — це сплав заліза з вуглецем і незначними домішками, що надходять разом з рудою та паливом. У ряді випадків для поліпшення властивостей до складу сталі вводять легуючі компоненти. Залежно від вмісту легуючих складників сталі поділяються на вуглецеві — легуючі компоненти не вводяться; низьколеговані — сумарний вміст легуючих компонентів не перевищує 2,5 %; середньо леговані — легуючих елементів 2.5...10 %; високолеговані — легуючих домішок понад 10 %.

У будівництві найчастіше застосовують вуглецеві й низьколеговані сталі. Середньо леговані сталі використовують менше, а високолеговані — лише в окремих екстремальних випадках, наприклад, при високих чи дуже низьких температурах, в агресивних середовищах. Це зумовлено нестачею і високою вартістю легуючих компонентів.

Вуглецеву сталь поділяють на мало вуглецеву — з вмістом вуглецю до 0,25 %; середньо вуглецеву — вуглецю 0,25...0,60 %; високо вуглецеву — вуглецю 0,60...1,2 %.

Будівельні сталі містять вуглецю до 0,22 %, тобто вони мало вуглецеві. Два останніх види сталей широко застосовують у машинобудуванні як конструкційні, інструментальні тощо.

Кількість вуглецю має вирішальний вплив на механічні властивості сталей. При сполученні вуглецю із залізом виникають карбіди, які є основними зміцнювальними структурними утвореннями сталі. Збільшення вмісту вуглецю зумовлює зростання міцності, але водночас знижує пластичність та зварюваність сталі. Невеликий вміст вуглецю у будівельних сталях забезпечує їхню добру зварюваність і високу пластичність. Суттєво підвищує міцність без значного зниження пластичності марганець, який завжди наявний у сталях. Його вміст у вуглецевих сталях переважно становить 0,30...0,65 %, а в легованих — більший, залежно від марки сталі. Третьою домішкою, яку найчастіше містять вуглецеві сталі, є кремній — найпоширеніший розкислювач. Він сприяє отриманню дрібнозернистої структури та підвищенню міцності. Але при цьому зменшуються зварюваність і стійкість до корозії. Тому бажано, щоб вміст кремнію не перевищував 0,3 %. В умовах, які спричиняють інтенсивну корозію, корисною домішкою є мідь. Разом з поліпшенням корозійної стійкості мідь підвищує і міцність (хоча менше, ніж марганець), але погіршує зварюваність.

Крім зазначених елементів, леговані сталі додатково містять такі домішки, як нікель, хром, ванадій, вольфрам, молібден, титан, бор тощо, їх введення до складу сталей поліпшує експлуатаційні якості матеріалу. Але при цьому слід пам'ятати, що запаси легуючих елементів обмежені, а вартість висока. Крім того, підвищений вміст легуючих компонентів погіршує зварюваність. Економічно вигідним способом покращення стаді є так зване карбонітридне зміцнення, коли зміцнювальними компонентами є не тільки карбіди металів, але й їхні нітриди. Суттєве підвищення міцності й холодостійкості досягається введенням у сталь невеликої кількості карбіду і нітридоутворювальних домішок: азоту, ванадію, ніобію, що не призводить до помітного погіршення зварюваності та зростання вартості.

Поряд з корисними домішками до складу сталей входять і шкідливі, які неминуче надходять з рудою та паливом. У першу чергу це сірка і фосфор. Вони роблять сталь крихкою, схильною до утворення тріщин відповідно при високих і низьких температурах. Дуже шкідливими є кисень, водень та вільний азот, які також зумовлюють крихкість сталей.

Суттєвий вплив на якість сталі як матеріалу для металевих конструкцій мають особливості її кристалічної будови. При кімнатній температурі основна складова частина вуглецевої сталі — залізо — перебуває у вигляді мікроскопічних зерен, що мають атомну гратку фериту. Орієнтація ґраток окремих зерен хаотична. У місцях включень інших елементів і на межах зерен правильність ґратки порушена.

Вуглець перебуває у хімічній сполуці зі залізом, утворюючи карбід заліза — так званий цементит. Ферит досить м'який і пластичний. Цементит, навпаки, дуже твердий і крихкий. Через незначний вміст вуглецю цементит утворюється у невеликій кількості і в структурі сталі має вигляд перліту — тонкодисперсної суміші частинок цементиту і фериту, що не мають правильної кристалічної будови. Розміщується перліт між зернами фериту у вигляді прошарків і окремих включень. Як і цементиту, йому властиві значна міцність і пружність.

Структура легованих сталей подібна до вуглецевої. Легуючі компоненти знаходяться у твердому розчині із залізом, порушуючи правильність кристалічної ґратки зерен фериту, а також сприяючи утворенню карбідів і нітридів, що додатково зміцнюють прошарки між зернами.

Характер деформацій сталі під дією навантаження визначається спільним деформуванням її складових частин. В окремих зернах фериту пластичні деформації виявляються вже при незначних навантаженнях, значно раніше, ніж напруження досягнуть межі текучості сталі. Пояснюється це тим, що окремі шари атомів у кристалі фериту під дією зусиль відносно легко зсуваються один щодо одного. На рис. 2.1, а—д показані послідовні стадії деформування монокристала. При незначних зусиллях спостерігаються пружні деформації внаслідок розтягнення міжатомних зв'язків (рис. 2.1, б). При зростанні навантаження окремі зв'язки між атомами розриваються і „правильність" атомної ґратки порушується, з'являється так звана лінійна дислокація А (рис. 2.1, в). Далі ця дислокація просувається уздовж площини ковзання до межі кристала (рис. 2.1, г). На рис. 2.1, д зображено гратку після пластичної деформації кристала.

Рис. 2.1 - Послідовні стадії деформування монокристала


Межа між окремими зернами фериту є перешкодою для просування лінійної дислокації, оскільки при хаотичній орієнтації ґраток площини ковзання у сусідніх зернах не співпадають (рис. 2.1. е). Для подолання межі між зернами необхідні даткові зусилля. Цим пояснюються кращі механічні якості дрібнозернистих сталей, в яких кількість між зернових меж більша. Наявність на межах зерен перлітових вкраплень і прошарків додатково утруднює просування дислокацій і підвищує міцність.

Для одержання оптимальної структури сталь піддають термічній обробці. При звичайних температурах розчинність вуглецю у фериті незначна і практично весь він зосереджений на межах зерен. При високих температурах атоми вуглецю є складовими частинами кристалічної ґратки аустеніту. При нагріванні сталі до температури переходу ґратки фериту в аустеніт (890...920 °С) через нерівномірне збагачення зерен фериту вуглецем на місці зерна фериту утворюється кілька зерен аустеніту. Під час повільного охолодження на повітрі в різних частинах зерен аустеніту цементит утворюється також неодночасно, що, в свою чергу, розбиває його на кілька зерен фериту. Цей процес називається нормалізацією. У результаті сталь стає більш однорідною, зростає її в'язкість і пластичність. При швидкому охолодженні (наприклад, водою) сталі, нагрітої до температури фазового перетворення, відбувається гартування. Сталь зберігає переохолоджену гратку аустеніту і містить вуглець у твердому розчині. Така структура нестійка. Для її стабілізації здійснюють відпуск — повторне нагрівання з повільним охолодженням. Найчастіше відпуск виконують при нижчих температурах ніж гартування — до 700 °С. При цьому отримують дрібнозернисту феритову структуру, рівномірно зміцнену перлітовими прошарками і вкрапленнями. Це так званий сорбіт відпуску, який має високу міцність і в'язкість. Потрібна структура може бути отримана і без відпуску, якщо належним чином вибрана швидкість охолодження після гартування.

При термічній обробці одночасно знімаються внутрішні напруження, що також сприяє поліпшенню властивостей сталі.



Незважаючи на мізерну розчинність вуглецю у фериті, все ж деяка його частина під час кристалізації розплаву залишається у складі зерен у вигляді твердого розчину. З часом атоми вуглецю дифундують до меж зерен, збільшуючи там кількість карбіду заліза. Виділяються також карбіди і нітриди інших елементів, внаслідок чого зростає міцність сталі, але одночасно знижуються її пластичність, опір крихкому руйнуванню, динамічним і ударним навантаженням. Цей процес називається старінням металу. З підвищенням температури, при періодичному нагріванні та охолодженні під дією постійних і особливо змінних напружень, під час механічних впливів старіння прискорюється.

Якість сталі оцінюють за механічними властивостями та хімічним складом. Як сказано вище, робота сталі під навантаженням значною мірою залежить від міцності й роботи поверхонь зерен та прошарків між ними. На початкових стадіях завантаження пластичні деформації зерен фериту стримуються опором контактних поверхонь, прошарків перліту та інших вкраплень. При напруженнях, що дорівнюють межі текучості (рис. 2.2), їх опір долається. Енергія деформації, накопичена зернами фериту та стримувана зміцнювальними структурами, виділяється і відбувається загальний зсув. На діаграмі з'являється ділянка текучості. У високоміцних сталей опір перлітових вкраплень, легуючих компонентів та їх карбідів і нітридів настільки великий, що ділянка текучості не виявляється. У цьому випадку відзначають умовну межу текучості (рис. 2.2).
  1   2   3   4   5


База даних захищена авторським правом ©uchika.in.ua 2016
звернутися до адміністрації

    Головна сторінка