Подбор марки сталей для строительных конструкций

Проведение расчета строительных конструкций всегда неразрывно связано с подбором марки стали. Многие из строителей, не вникая в сложности расчетов допускаемых нагрузок, закладывают в проект и смету сталь С245, как наиболее минимальную. При отсутствии такой марки проводят замену на более прочную, не меняя размер сечения, что приводит к увеличению расхода металлопроката и завышает сметную стоимость строительных работ.

Соответствие марки стали и стоимости

Существует мнение, что применяя самую низкую марку стали, которая является и самой дешевой, можно добиться минимальной стоимости конструкции. В действительности при увеличении прочности стали происходит снижение общей массы конструкции, следовательно, в итоге стоимость израсходованного проката будет ниже. Кроме того, происходит снижение нагрузки на фундамент и уровня сейсмических нагрузок.

Но при этом необходимо учитывать, что применение сталей с высокой прочностью не целесообразно, если подбор сечения выполняется с учетом обеспечения устойчивости.

Выбирая марки стали, рекомендуется получить информацию от поставщиков о наличии и возможности поставок требуемого материала. Такая мера необходима, так как при его замене на менее прочный требуется изменение профилей и узлов, что увеличивает сроки строительства, а замена профиля на более прочный приведет к перерасходу стали. Стали 09Г2С и Ст3сп/пс5 являются одними из наиболее распространенных и востребованных.

Состав химических элементов стали по анализу ковшовой пробы:

Распределение конструктивных элементов по группам

Прежде всего, выбирая марку стали, требуется установить группу, к которой будут относиться элементы здания. СП 16.13330.2011, приложение В приводит описание четырех групп:

Конструкции сварного типа или их элементы, условия работы которых являются особо тяжелыми, по классификации, приведенной ГОСТ 25546. Перечень включает подкрановые балки, балки рабочих площадок и путей подвижного транспорта, конструктивные элементы эстакад, главные балки и ригели, пролеты галерей, фасонные части ферм, стенки, днища, покрытия для резервуаров и газгольдеров, бункерные балки, оболочки бункеров, стальные оболочки дымовых труб, сварные спецопоры больших переходов ВЛ ЛЭП при высоте свыше 60 м, элементы и узлы оттяжек мачт;

Конструкции сварного типа или их элементы, эксплуатация которых выполняется при статической нагрузке и напряжении растягивания. В перечень включаются фермы, ригели рам, балки перекрытий, косоуры лестниц, опоры ВЛ, опоры ОРУ подстанций, опоры транспортных галерей, мачты для установки прожекторов, элементы опор АС и иные элементы, а также элементы 1-ой группы без сварки, и балки подвесных путей, выполненные из двутавров согласно требованиям ГОСТ 19425 и ТУ 14-2-427;

Конструкции сварного типа или их элементы, эксплуатация которых осуществляется при статических нагрузках, в основном, на сжатие. В данный перечень входят колонны, стойки, опорные плиты, элементы для настила перекрытий, конструкции, выполняющие поддержку технологического оборудования, вертикальные связи по колоннам, имеющие напряжения в расчетных сечениях более 0,4Ry, анкерные, несущие и фиксирующие конструкции контактной сети транспорта, опоры под установку оборудования ОРУ, элементы стволов и башен АС, колонны эстакад, прогоны покрытий, а также элементы, относящиеся ко 2-ой группе без сварки;

Конструкции зданий и сооружений вспомогательного назначения. Перечень включает связи, помимо указанных в группе 3, элементы фахверка, лестницы, трапы, площадки, ограждения, м/к кабельных каналов, элементы сооружений вспомогательного назначения, а также элементы 3-ей группы без сварных соединений.

Определение стали согласно нормативным документам

Следует установить климатический район проведения строительных работ, знать температуру наружного воздуха, руководствуясь СП 131.13330.2012 (в редакции СНиП 23-01-99*).

По СП 16.13330.2011 для расчетов принимается температура наиболее холодных суток с индексом 0,98. По СНиП II-23-81 - температура, наблюдаемая в наиболее холодную пятидневку, с индексом 0,92.

Влияние температуры на марку стали объясняется свойством увеличения хрупкости стали при снижении температуры.

Применение СП 16.13330.2011 с 1.07.2015 г. является обязательным, поэтому следует в расчетах использовать данные по этому источнику. Для сравнения можно провести анализ требований СП 16.133302011 и уже не действующего СНиП II-23-81.

Рассмотрим таблицу В.1 СП 16.13330.2011, где для проектируемых конструкций назначаются следующие виды материалов:

В таблице имеется 3 столбца с указанием стандартов для выбора марки стали. Марка стали ГОСТ 27772 указывает предел текучести металла, например, С235 - предел текучести стали составляет 235 Н/мм2, химсостав стали обозначается маркировкой ГОСТ 353, ГОСТ 14637 и ГОСТ 19281, характеристики прочности указаны в ГОСТах.

Сталь, произведенная по требованиям одного ГОСТа, по своим характеристикам может соответствовать материалу, выполненному по другому ГОСТу, они будут отличаться только методами контроля качества стали. В мире не существует единого стандарта, который регламентирует обозначения марок стали, различными являются стандарты, применяемые в России, США, в странах Европы, но это не означает, что сталь имеет разный состав и качество.

По таблице 50 СНиП II-23-81 назначаются следующие марки стали:

Приведенная в СНиП II-23-81 градация по температурам ниже на 5 градусов, чем в СП 16.13330.2011, но принимаемая при этом температура соответствует не самым холодным суткам, а характеризует температуру наиболее холодной пятидневки.

При изучении СП «Строительная климатология» можно видеть, что в преобладающем большинстве принимаемые условия будут равнозначными, но имеются случаи, когда СНиП оговорены более строгие требования, а в ряде моментов требования в СП будут выше. Поэтому для экспертизы требуется соответствие марки стали нормативным значениям СП 16.13330.2011, однако, в случае предъявления СНиП II-23-81 более строгих требований, рекомендуется воспользоваться именно этим документом.

При необходимости выбора материала для соединений стальконструкций требуется использовать приложение Г СП 16.13330.2011.

Рассматривая таблицы СП, можно определить рекомендуемые варианты марок стали и выполнить расчет. При имеющейся возможности выбора следует изучить несколько вариантов, чтобы, используя данные проведенного технико-экономического расчета, выбрать лучший из вариантов.

В каждой из приведенных групп конструкций приводятся данные ударной вязкости при разных температурных режимах эксплуатации сталей.

Для выбора стали и принятия решения в рамках каждой из групп должно быть выполнено сравнение ТЭП, определяющих зависимость стоимости конструкции от расхода стали.

Выбор стали по показателям прочности

Сталь по показателям прочности условно подразделяется на три группы:

• с прочностью обычного уровня (σ_y< 29 кН/см²);
• с прочностью повышенного уровня (29 кН/см² ≤ σ_y< 40 кН/см²);
• с прочностью высокого уровня (σ_y ≥ 40 кН/см²).

Стали, имеющие прочность металла обычного уровня, представлены низкоуглеродистыми классами С235 – С285, имеющими разную степень раскисления (кипящие, полуспокойные и спокойные).

Стали, имеющие прочность повышенного уровня, представлены низколегированными классами С345 – С390. Они обладают высокой ударной вязкостью при наличии мелкозернистой структуры, что позволяет применять их для производства конструкций в «северном исполнении».

Стали, имеющие прочность высокого уровня, представлены классами прочности С440 – С590.

Благодаря наличию высокой прочности металла, использование таких сталей позволяет добиться экономии металла, но по причине затрат на выполнение легирования и термообработку они являются более дорогостоящими в сравнении с низкоуглеродистыми сталями обыкновенного качества.

Стали С345 и С375 подвергаются испытаниям на ударную вязкость при различных температурных режимах, что позволяет определить уровень опасности хрупкого разрушения с учетом температуры эксплуатирования конструкций.

Поставка таких сталей выполняется в четырех категориях.

Для конструкций, возводимых в климатических районах 1, 2, 2 и 3 при эксплуатировании в отапливаемых помещениях, следует выбирать марки стали как для условий эксплуатации в климатическом районе 4, кроме сталей С245 и С275.

Подбор материалов для выполнения сварки

При проведении строительных работ в современных условиях соединение элементов осуществляется преимущественно использованием электродуговой сварки.

Учитывая условия производства и монтажа стройконструкций, конструктивное исполнение используемых элементов м/к, применение основных материалов, возможно использование электродуговой сварки, представленной такими видами, как ручная, механизированная и автоматическая.

При сварке соединений требуется соблюдение их прочностных характеристик, которые определяются исходя из прочности металла соединительных элементов, прочности наплавленного металла шва, формы соединения и его вида, а также возникающих в соединении напряжений, характера прилагаемого силового воздействия на соединение, используемой технологии сварки.

Рассматривая характеристику прочности наплавленного металла шва, необходимо отметить, что этот показатель определяется материалом применяемой электродной проволоки, составом покрытия электродов, используемых при ручной сварке, и качества флюса, используя технологию сварки в автоматическом и механизированном режиме. При правильном выборе материалов имеется возможность (при соблюдении требований и технологии сварочного процесса) обеспечить прочность наплавленного металла, который по своим характеристикам не уступает прочности основного металла.

Маркировку фасонного проката из стали С235, С245, С255, С275, С285, С345 и С375 проводят несмываемой краской, при этом используют цвета приведенные в таблице ниже:

Марки стали, заменяемые сталями по ГОСТ 27772-88

Примечания: 1. Стали С345 и С375 категорий 1, 2, 3, 4 по ГОСТ 27772-88 заменяют стали категорий соответственно 6, 7 и 9, 12, 13 и 15 по ГОСТ 19281-73* и ГОСТ 19282-73*.

2. Стали С345К, С390, С390К, С440, С590, С590К по ГОСТ 27772-88 заменяют соответствующие марки стали категорий 1-15 по ГОСТ 19281-73* и ГОСТ 19282-73*, указанные в настоящей таблице.

3. Замена сталей по ГОСТ 27772-88 сталями, поставляемыми по другим государственным общесоюзным стандартам и техническим условиям, не предусмотрена.

Механические свойства, ударная вязкость, условия испытаний на изгиб

* Для листового проката и полосы толщиной 5 мм норма ударной вязкости 39 Дж/см² (4,0 кгс•м/см²)

** Для листового проката и полосы толщиной 5 мм норма ударной вязкости 34 Дж/см² (3,5 кгс•м/см²)

Классификация материалов для электродов

Выполнение ручной сварки осуществляется плавящимися электродами, подразделяемыми согласно ГОСТ 9467-75 на типы и марки.

Для производства электродов применяют низкоуглеродисую проволоку марки Св-08, а для сварки конструкций, эксплуатируемых в тяжелых условиях, проволоку марки Св-08А.

Буквы в маркировании электродов обозначают сварочную проволоку, цифры - среднее содержание углерода, приведенное в долях процента. Указанная в конце буква А подтверждает повышенную чистоту металла. В металле ограничено содержание серы и фосфора, поэтому он обладает повышенной пластичностью, которая характеризуется относительным удлинением и ударной вязкостью. Для сварки низколегированных сталей используется проволока, химсостав которой содержит легирующие элементы. Они обозначаются в марке буквами, общепризнанными при маркировании низколегированных сталей.

Электроды разделяют на типы в соответствии со значением временного сопротивления металла шва. Например:

• применение электрода Э42 дает возможность получить шов с таким значением σ_u ≥ 42 кН/см². Он используется для сварки сталей c σ_u ≤ 42 кН/см²;
• применение электрода Э50 позволяет получить шов со значением σ_u ≥ 50 кН/см² и используется для сварки сталей, имеющих σ_u ≤ 50 кН/см².

Помимо этого основного классифицирования, выполняется подразделение электродов по ряду других признаков:

• по технологическим качествам сварки, определяющим расположение сварки в пространстве и глубину проплавления;
• по толщине наносимого покрытия, которое может быть тонким или толстым;
• по способу получения покрытия, выполняемого методом окунания или опрессовки;
• по характеру шлаков при расплавлении металла, которые могут быть кислыми или основными;
• по характеру тока и способу полярности, который может быть переменным или постоянным, прямой или обратной полярности и др.

Для определения марки электрода необходимо знать состав покрытия и выбирать, исходя из вида сварочного тока и расположения шва в пространстве.

При автоматической сварке с использованием флюса возможно получить сварной шов наилучшего качества. Для сварки используют стальную сварочную проволоку со сплошным сечением и различные флюсы, а также порошковую проволоку.

Для выполнения механизированной сварки требуется электродная проволока, имеющая газовую защиту, то есть сварка проводится в среде углекислого газа, сварочная ванна или порошковая проволока.

Проведение сварки для конструкций 2, 3 и 4 групп, расположенных в климатических районах 1, 2, 2, 3, и для конструкций группы 1 во всех климатических районах, требует применения электродов с индексом А (Э42А, Э46А, Э50А).

При проектировании тавровых и угловых сварных соединений элементов стальных конструкций с растягивающим напряжением, для предотвращения слоистого разрушения металла под сварным швом, применяют:

1. стали для конструкций группы 1 с пределом текучести до 375 МПа, а также стали с гарантированными механическими свойствами в направлении толщины проката:

   Для швов, получаемых ручной сваркой, Rwun должны быть равны сопротивлению разрыва металла шва, согласно ГОСТ 9467-75*.

   Для швов, получаемых при автоматической или механизированной сварке, Rwun необходимо принимать, руководствуясь таблицами СНиП.

   Показатель коэффициента надежности, относящийся к материалу шва, gwm необходимо принимать в таких пределах: 1,25 – при значениях Rwun не более 490 МПа; 1,35 – при значениях R_wun = 590 МПа и более.

2. сварочные материалы, имеющие показатели пониженной прочности и повышенной пластичности. Требуется использование методов сварки, позволяющих снизить сварочные напряжения, без использования порошковой проволоки.

Расчетное сопротивление швов стали сварных соединений с угловыми швами

Черный металлопрокатНержавеющий металлопрокатЭлементы трубопроводаТрубная арматураЦветной металлопрокатКрепеж и метизы МеталлоконструкцииПрофнастилКровельные материалыСварочные материалы