плоское или объемное напряженное состояние) и уровня возникающих напряжений (сильно пли 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 в соответствии со СНиП П-23-81.

К первой группе отнесены 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, фасон-ки 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 отнесены 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 важным является 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 каждой группы конструкций в зависимости от температуры эксплуатации к сталям предъявляются требования по ударной вязкости при различных температурах.

В СНиП 11-23-81 содержится перечень марок сталей в зависимости от группы конструкций и климатического района строительства.

Окончательный выбор марки 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 .марок стали - более высокой прочности для сильно нагруженных элементов (пояса ферм, балок) и меньшей прочности для слабо нагруженных элементов (решетка ферм, стенки балок). 3-143 -33 -

2. Алюминиевые сплавы

Алюминий по своим свойствам существенно отличается от стали. Плотность его р = 2,7 т/м, т.е. почти в три раза меньше плотности стали. Модуль продольной упругости алюминия £ = 71 ООО МПа, модуль сдвига G = 27 000 МПа, что примерно в три раза меньше, чем модуль продольной упругости и модуль сдвига стали. Алюминий не имеет площадки текучести; прямая упругих деформаций непосредственно переходит в кривую упругопластических деформаций (рис. 2.4). Алюминий очень пластичен; удлинение при разрыве достигает 40...50 %, но прочность его весьма низка Ов = 60...70 МПа, а условный предел текучести сто,2 = 20...30 МПа. Чистый алюминий быстро покрывается очень прочной окисной пленкой, препятствующей дальнейшему развитию коррозии.

Вследствие весьма низкой прочности технически чистый алюминий в строительных конструкциях применяется весьма редко. Значительное увеличение прочности алюминия достигается путем легирования его магнием, марганцем, медью, кремнием, цинком и некоторыми другими элементами.

Временное сопротивление легированного алюминия (алюминиевых сплавов) в зависимости от состава легирующих добавок в 2-5 раз выше, чем технически чистого; однако относительное удлинение при этом соответственно в 2-3 раза ниже. С повышением температуры прочность алюминия снижается и при температуре свыше 300°С близка к нулю (рис. 2.5).

Особенностью ряда многокомпонентных сплавов А1-Mg-Si; Al - -Gu-Mg; Al-Mg-Zn) является их способность к дальнейшему увеличению прочности в процессе старения после термической обработки; такие сплавы называются термически упрочняемыми.

Временное сопротивление некоторых высокопрочных сплавов (системы А1-Mg-Zn) после термической обработки и искусственного старения превышает 400 МПа; относительное удлинение при этом составляет всего 5-10%. Термическая обработка сплавов двойной композиции (А1-Mg, Al-Mn) к упрочнению не приводит; такие сплавы получили название термически неупрочняемые.

Повышение предела текучести сто,2 изделий из этих сплавов в 1,5- 2 раза может быть достигнуто холодной деформацией (нагартовкой), относительное удлинение при этом также существенно снижается. Следует отметить, что показатели всех основных физических свойств сплавов вне зависимости от состава легирующих элементов и состояния (состаренное, нагартованное) практически не отличаются от таковых для чистого алюминия.

Коррозионная стойкость сплавов зависит от состава легирующих добавок, состояния поставки и степени агрессивности внешней среды.

Полуфабрикаты из алюминиевых сплавов (листы, профили, трубы и т. п.) поставляются с заводов в соответствии с установленными стандартами. Состояние поставки указывается в обозначении после марки сплава: ГП - горячекатаное; М - мягкое (отожженное); И - нагартованное; 1/2Н - полунагартованное для листов или П - то же, для профилей и труб; Т - закаленное и естественно состаренное в течение 3- 6 сут при комнатной температуре; Т1-закаленное и искусственно состаренное в течение нескольких часов при повышенной температуре; Т5- не полностью закаленное и искусственно состаренное.

Из большого числа марок алюминия к применению в строительстве рекомендуется всего шесть, некоторые из которых в нескольких состояниях поставки:

термически неупрочняемые сплавы: АД1М и АМцМ (листы); АМг2М и АМг21/2Н (листы); АМг2М (трубы);

термически упрочняемые сплавы: АД31Т (профили и трубы); АД31Т1 и АД31Т5 (профили); 1915ГП и 1915Т (профили и трубы); 1925ГП и 1925Т (профили и трубы).

400 300 200

Рис. 2.4. Диаграммы растяжения алюминиевых сплавов 1 - чистый алюминий, 2 - АМгб, J - АВ-Т4, 4 -Д16-Т, 5 -сталь марки СтЗ

6, МПа 400 "

300 200 100 О

50 ГОО 150 200 250 300 t.X

Рис. 2 5 Механические характеристики сплава Д1вТ при изменении температуры

1 - предел прочности, 2 предел текучести

Все указанные выше сплавы, за исключением сплава Ю25Т, который используется только для клепаных конструкций, хорошо свариваются.

Конструкции из алюминия благодаря малой массе, стойкости против коррозии, хладостойкости, антимагнитности, отсутствию искрообра-зования, долговечности и хорошему виду имеют перспективу применения во многих областях строительства. Однако из-за высокой стоимости алюминиевых сплавов применение их в строительных конст)укциях ограничено.

§ 2. работа стали под нагрузкой

1. Работа стали при статической нагрузке. Как было сказано, сталь в основном состоит из феррита с включением перлита (см. рис. 2.2,а). Зерна перлита значительно прочнее ферритовой основы. Эти две разные по прочностным, упругим и пластическим показателям составляющие и определяют работу углеродистой стали под нагрузкой.

Работа монокристалла железа. Теоретические и экспериментальные исследования показывают, что сдвинуть одну часть монокристалла железа по другой значительно легче, чем оторвать. Поэтому пластические деформации в зернах железа протекают путем сдвига (рис. 2.6). На основе экспериментальных исследований установлено, что сдвиг происходит по плоскостям, наиболее густо усеянным атомами (заштриховано на рис. 2.1,6) по направлению большой диагонали.

Зная силы сцепления атомов, можно теоретически определить усилие, необходимое для сдвига одной части кристалла по другой. Однако реальная прочность кристаллов в сотни раз меньше теоретической.

Расхождение между теоретической и реальной прочностью объясняется несовершенствами (дефектами) кристаллической структуры.

Различают четыре вида дефектов кристаллической решетки: точечные (рис. 2.7), линейные (рис. 2.8), поверхностные и объемные.

Точечные дефекты:

отсутствие атома в узле решетки (ваканспя) -- см. рис 2.7, а; наличие инородного атома в узле решетки (рис. 2 7,6), например, замещение основного атома в узле атомом легирующего элемента; расположение атома вне узла решетки (межузельнын или внедренный атом) - см. рис. 2 7, в.

Линейные дефекты.

краевые (см рис. 2 8, а) и винтовые (см. рис. 2.8, б) дислокации.

Поверхностные дефекты:

границы зерен, двойниковые прослойки и т. д.

Объемные дефекты

поры, инородные включения.

В окрестностях дефектов кристаллическая структура искажается и создаются поля внутренних упругих напряжений.