В качестве материала для строительных конструкций используются только малоуглеродистые и низколегированные стали.

Классификация сталей

- По способу выплавки (по степени раскисления)

· кипящие (КП) –

нераскисленные стали при разливке кипят вследствие выделения газов, поэтому они наиболее засорены газами и менее неоднородны; имеют хорошие показатели по пределу текучести и временному сопротивлении, но хуже других сталей сопротивляются старению и хрупкому разрушению; такие стали используются для неответственных конструкций, работающих на сжатие;

· спокойные (СП) –

для повышения качества низкоуглеродистых сталей их раскисляют добавками кремния (0.12-0.3%) или алюминия (до 0.1%); остывание таких сталей при разливке происходит спокойно, без кипения, без образования газовых пузырей; эта сталь более однородна, лучше сваривается, лучше сопротивляется хрупкому разрушению;

· полуспокойные (ПС) –

по качеству являются промежуточными между кипящими и спокойными; раскисляются меньшим количеством кремния, редко – алюминием.

- По виду поставки

· Группа А: гарантируются механические свойства стали;

· Группа Б: гарантируются химические свойства стали;

· Группа В: гарантируются и механические, и химические свойства стали.

В строительных конструкциях применяются стали группы поставки В, так как для обеспечения прочности необходима гарантия механических свойств, а для обеспечения хорошей свариваемости требуется соблюдение способа выплавки и норм по химическому составу.

Обозначение сталей

Основным стандартом, регламентирующим характеристики сталей для строительных конструкций является ГОСТ 27772-88, в соответствии с которым стали различают по классам прочности: от С235 до С590 (С – сталь строительная; 235-590 – гарантируемое значение предела текучести в МПа). Химический состав и механические свойства сталей в зависимости от класса приведены в ГОСТ 27772-88.

Строительные конструкции также изготавливают из сталей, поставляемых по ГОСТ 380-88* «Сталь углеродистая обыкновенного качества», ГОСТ 19281-73 «Сталь низколегированная сортовая и фасонная», ГОСТ 19282-73 «Сталь низколегированная толстолистовая и широкополосная универсальная». По этим ГОСТам стали обозначаются марками. Марка включает в себя полную информацию о стали, например:

– низкоуглеродистая стальВ Ст 3 ПС 5 – 1,

где буквы и цифры обозначают следующее:

первая буква (В) – группа поставки,

вторые буквы (Ст) – сталь,

первая цифра(3) – марка стлали по свойствам и химическому составу по ГОСТ 380-60*,

буквы между цифрами(ПС) – способ выплавки (в данном случае полуспокойная),

предпоследняя цифра (5)– категория (определяется по ударной вязкости),

последняя цифра (1) – группа прочности (1 или 2);

– или легированная сталь 15 ХГ2 С Ф М Р,

где первые цифры (15) показыавют содержание углерода в сотых долях процента;

буквы показывают наличие легирующих элементов (например, Х – хром; Н – никель; Ф – ванадий; Г– марганец; Д – медь; С– кремний; М– молибден; Р– бор);

цифры после букв обозначают содержание элементов в процентах.

Если цифр после буквы нет, то содержание этого элемента составляет в пределах 0.3 – 1 %, а если содержание легирующего элемента менее 0.3 %, то элемент в обозначение не вводится.

Стали, поставляемые по разным стандартам, взаимозаменяемые. По табл. 51б СНиП II-23-81* «Стальные конструкции» можно определить соответствие марок сталей классам.

Механические свойства стали

Наиболее важными для работы конструкций являются механические свойства: прочность, упругость, пластичность, склонность к хрупкому разрушению, твердость, а также свариваемость и другие.

Прочность характеризует способность материала сопротивляться внешним воздействиям без разрушения. Упругость – свойство материала восстанавливать свою первоначальную форму после снятия нагрузок. Пластичность – свойство материала сохранять несущую способность в процессе деформирования. Ползучесть – свойство материала непрерывно деформироваться во времени без увеличения нагрузки. Твердость – свойство поверхностного слоя металла сопротивляться деформации или разрушению при внедрении в него более твердого тела. Хрупкость – склонность материала к разрушению при малых деформациях.

Рис. 1. Диаграмма работы стали на растяжение

Основными прочностными характеристиками металла являются следующие показатели.

Предел текучести , МПа характеризует собой напряжение, до достижения которого считается, что материал работал упруго и для расчета внутренних напряжений можно пользоваться линейным законом Гука ( ). Если смотреть диаграмму работы стали (рис.1), то это точка, где кончается участок упругой работы, после чего металл «течет». – напряжение, которое соответствует относительному удлинению после разгрузки ε = 0.2 %. Для сталей, не имеющих площадки текучести (стали с содержанием углерода менее 0.1 % или более 0.3 %), вводят понятие условного предела текучести .

Временное сопротивление (предел прочности) , МПа характеризует собой условное напряжение разрыва растянутого образца (рис.1). – предельная разрушающая нагрузка, отнесенная к первоначальной площади образца.

Относительное удлинение ε, % – отношение приращения длины образца после разрыва к его исходной длине. Относительное удлинение характеризует пластические свойства стали.

Ударная вязкость – работа, затраченная на разрушение специального образца ударным изгибом. Ударная вязкость характеризует склонность стали к переходу в хрупкое состояние. Испытания на ударную вязкость могут проводиться при t = 20ºC, t = –20ºC, t = –40ºC; чем ниже температура, тем ниже величина ударной вязкости.

Загиб в холодном состоянии на 180º. Это испытание характеризует пластичность стали и ее склонность к трещинообразованию.

Группы сталей

По прочностным свойствам стали условно делят на три группы

- Стали обычной прочности (предел текучести меньше 290 МПа);

- Стали повышенной прочности (предел текучести от 290 МПа до 400 МПа);

- Стали высокой прочности (предел текучести более 400 МПа).

Повышение прочности стали достигается легированием и термической обработкой.

Сортамент стальных конструкций

Металлические конструкции формируются из профилей различной формы, которые изготавливаются на металлургических заводах. Каталоги поставляемых заводами листов и профилей с указанием их формы, размеров, геометрических характеристик, веса называют сортаментом.

В стальных конструкциях применяется листовая и профильная прокатная сталь. Профильная сталь разделяется на сортовую (круг, квадрат, полоса, уголки) и фасонную (двутавры, швеллеры и др.)

Кроме того, широкое применение имеет сортамент вторичных профилей: сварных (из отдельных листов или полос, соединенных сваркой) и гнутых (холодная гибка стальных листов или полос).