Подбор марки сталей для строительных конструкций

Главная / Статьи / 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:

Регистрация

Таблица зарубежных аналогов ГОСТ сталей и сплавов. Ближайший эквивалент ГОСТ марок стали. Таблица сравнения между ГОСТ и стандартами других стран.

Назад

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.

Расшифровка и химический состав

Наличие числа 45 в названии марки сырья «сообщает» о содержании около 0,45% углерода (C). Остальные «ингредиенты» распределились следующим образом: кремний (Si) – от 0,17 – до 0,37, хром (Cr) – до 0,25, марганец (Mn) — 0,5 — 0,8, никель (Ni) – до 0,25, медь (Cu) – до 0,25, фосфор (P) – до 0,035, сера (S) – до 0,04, мышьяк (As) — 0,08.

Некоторые физические и технологические характеристики

1. Вес (удельный): 7826 кг/м3.
2. Твердость стали 45: HB = 50 HRC (после закалки).
3. Температура ковки: от 1250 до 700 о С с последующим охлаждением на воздухе (для деталей, сечение которых варьируется до 400 мм).
4. Токарная обработка рекомендуется в горячекатаном состоянии.
5. Варианты сварки: РДС, КТС (при подогреве). Требуется дальнейшая термообработка.
6. Флокеночувствительность: низкая
7. Склонность ко хрупкости при отпуске: отсутствует.

Механические и физические свойства можно посмотреть в таблице:

Выбор стали по показателям прочности

Сталь по показателям прочности условно подразделяется на три группы:

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

Сравнение разных сталей

Ключевые характеристики материала

1. Твердость. Данный параметр демонстрирует способность материала не деформироваться под силовым воздействием или давлением. Измеряется он по шкале Роквелла (HRC).
2. Прочность. Эта характеристика отражает устойчивость материала к выкрашиванию и растрескиванию при эксплуатации в сложных условиях. Она также показывает, насколько сильно клинок может изгибаться без тотальной деформации.
3. Коррозионная стойкость. Параметр, характеризующий устойчивость стали к ржавчине, питтингу и прочим коррозионным повреждениям, причиной которых является воздействие окружающей среды.
4. Износостойкость. Характеристика, которая определяет устойчивость материала к адгезионному и абразивному воздействию. Она зависит от химического состава стали и ее твердости.
5. Удержание режущей кромки. Важный параметр, от которого зависит, насколько долго лезвие будет оставаться острым при регулярной эксплуатации. Стандартизированного способа измерения этого параметра не существует. Он определяется субъективными ощущениями пользователей.

Стоит отметить, что самое высокое значение HRC не является показателем высокого качества стали. Такой материал будет отлично держать режущую кромку, но на нем довольно быстро появятся трещины и сколы. Более того, слишком твердое лезвие может разбиться подобно стеклу. Но и слишком мягкая сталь не может считаться качественной — она с трудом разрежет большинство материалов.

Прочность не имеет стандартной школы измерения. Также стоит учесть, что твердая сталь, вероятно, будет иметь меньшую прочность, и наоборот.

Как ни странно, практически полностью защищенная от коррозии сталь снижает общую производительность клинка. Поэтому стойкость к коррозии рабочего ножа должна быть умеренной.

При рассмотрении двух клинков с одинаковым значением твердости более износостойким будет тот, в составе у которого будет больше карбидов.

Казалось бы, чтобы купить идеальный нож, нужно выбрать модели, клинок которой имеет максимальные показатели всех описанных выше характеристик. На практике все сложнее, ведь если твердость клинка будет максимальной, то он окажется очень хрупким и не сможет выдержать даже минимального взаимодействия с твердыми материалами. Если же максимальной будет прочность, что лезвие не будет держать заточку. Поэтому идеальным может считаться только тот нож, у которого все указанные параметры сбалансированы между собой.

Типы сталей

В ножевом производстве сегодня активно применяются стали трех типов:

• инструментальная. Применяется при изготовлении режущих инструментов, характеризуется высокой твердостью. Примерами инструментальной стали могут служить сплавы D2, O1, CPM 3V и М4;
• углеродистая. Это прочный и выносливый материал, который подходит для эксплуатации в сложных условиях. Незаменим при производстве мачете, различных ножей для работы и выживания в трудных условиях. Подвержен коррозии, зато легко затачивается и сохраняет остроту в течение длительного времени. Самым популярным примером такой стали является сплав 1095.
• нержавеющая. Разновидность углеродной стали, в составе которой присутствует не менее 13% хрома и прочих добавок, улучшающих эксплуатационные свойства материала, но снижающих его прочность. К стали данного типа относятся сплавы Sandvik, VG, 400, SxxV, MoV, AUS, 154CM, CTS и пр.

Бюджетные стали

Стали среднего уровня

Качественные стали

1. 14C28N — нержавеющая сталь, представляющая собой усовершенствованную сталь 13C26 (была повышена коррозионная устойчивость). В ее составе было уменьшено количество углерода и увеличена доля хрома, а также появился азот. Выпускается сталь брендом Sandvik из Швеции и отличается возможностью заточки до бритвенного состояния. Эту сталь очень любит бренд Kershaw.
2. 8Cr13MoV. Китайский материал, характеристики которого схожи с параметрами стали AUS-8. Но в стали из Китая больше углерода. Ценится за сбалансированное сочетание «цена–качество», активно используется Spyderco и другими известными брендами.
3. CTS-BD1. Материал, разработанный американским брендом Carpenter специально для компании Spyderco. Схожа с материалами AUS-8 и 8Cr13MoV, но превосходит их по длительности удержания режущей кромки. Более того, рассматриваемая сталь благодаря высокому содержанию хрома лучше противостоит коррозии. Легко точится (в составе есть мелкие карбиды), хотя по времени удержания заточки уступает материалам с крупными карбидами (например, G-10).
4. AUS-8. Прочная японская сталь, схожая по свойствам с материалом 440C. От последнего отличается меньшей твердостью и большей сопротивляемостью коррозии. Без усилий заостряется до бритвенного состояния, хотя режущую кромку сохраняет хуже своих старших товарищей, содержащих больше хрома.
5. 440C. Универсальный материал, долгое время считавшийся лидером среди сталей для выпуска ножей. Уступил свои позиции только с приходом суперсталей. Сегодня применяется для выпуска инструментов средней стоимости, характеризуется исключительной коррозионной стойкостью (содержит максимум углерода и хрома среди сталей в данной подгруппе), довольно высокой стойкостью к износу и твердостью. Режущую кромку острой сохраняет лучше стали 420HC, а точится не менее просто.

Стали высокого качества

Стали премиум-класса

Стали ультра премиум-класса

1. CTS-XHP — материал от американского бренда, появившийся на рынке не так давно. Его отличает твердость на уровне 61 HRC и способность уверенно держать кромку — лучше, чем это делает материал S30V. Производится эта сталь из порошка с очень мелким зерном. Во многом она похожа на материал D2, но гораздо эффективнее противостоит коррозии. Заточка требует определенных усилий.
2. Elmax. Еще одна порошковая сталь, в составе которой высоко содержание молибдена, хрома и ванадия. Она не боится окисляющих веществ, характеризуется исключительной износостойкостью и длительным удержанием кромки. Сталь относится к классу нержавеющих, но по свойствам во многом схожа с углеродистыми материалами. Заточка производится относительно легко. Elmax по праву считается одной из лучших сталей в мире. Ее используют многие премиальные производители, включая Bohler.
3. ZDP-189 — сталь производства Hitachi с очень высоким процентом хрома и углерода в сплаве. Ее твердость достигает 64 HRC, как следствие, режущая кромка удерживается прекрасно. А вот заточка требует значительных усилий, как и защита от коррозии — устойчивость этого материала к окислительным процессам ощутимо ниже, чем у S30V.
4. M390 — сталь третьего поколения, содержащая в составе вольфрам, молибден, ванадий и хром. Она уверенно держит кромку и противостоит коррозии, отличается стойкостью к износу и твердостью. После термообработки последний параметр может достигать значения 60-62 HRC.
5. CPM S90V — дорогой материал с высоким содержанием углерода. Также включает ванадий, количество которого втрое больше, чем у S30V и Elmax. Сталь невероятно устойчива к абразивам и износу, прекрасно держит режущую кромку. Но механически обрабатывать ее непросто, впрочем, как и другие стали этого класса.

Несколько слов о порошковой стали

В описаниях выше вы, наверняка, заметили аббревиатуру CPM у названий некоторых сталей. На русский язык это сокращение можно перевести как порошковая металлургия Crucible. Crucible — название американского бренда, выпускающего инструментальные стали исключительного качества.

Компания применяют особую технологию, в результате которой расплавленная сталь перерабатывается в мелкий порошок. Он прессуется в подготовленных заранее формах, в которых впоследствии запекается. В такой порошок легко ввести различные добавки, что позволяет производить сталь с определенными эксплуатационными параметрами.

Так ли хороша дамасская сталь?

О дамасской стали в свое время слагались легенды. Слагали настолько удачно, что непосвященные в вопросы ножевого искусства люди до сих пор думают, что такая сталь — подлинный эталон. Спешим развеять этот миф. Дамасская сталь уступает большинству современных сплавов. Интересна она только необычным закрученным рисунком, интерес к которому проявляют преимущественно коллекционеры.

Подводим итоги

Как видите, идеальной стали не существует. Но для каждой из задач есть свой оптимальный вариант металлического сплава. Его-то и следует выбирать. Также мы советуем обращать внимание на другие характеристики готового изделия: его дизайн, конструкция, качество исполнения и пр. Ведь, по сути, все современные ножевые стали полностью удовлетворяют потребностям среднестатистического пользователя. Разница заметна лишь профессионалам.

Информация взята с сайта https://myhunt.ru/articles/knives/kharakteristiki-nozhevykh-staley

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 σu ≥ 42 кН/см2. Он используется для сварки сталей c σu ≤ 42 кН/см2;
• применение электрода Э50 позволяет получить шов со значением σu ≥ 50 кН/см2 и используется для сварки сталей, имеющих σu ≤ 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 Rwun = 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.

Сталь 20 и 45

Данные виды стали относятся к качественным углеродистым конструкционным. Являясь низкоуглеродистой, сталь 20 характеризуется отличной свариваемостью, пластичностью и штамповкой. Сталь 20 с такими характеристикам, как правило, используется в производстве разных видов деталей для крепежа – валики, оси и т.д. Данный вид продукции может дополнительно цементироваться, что увеличивает прочность поверхности, одновременно насыщаясь углеродом.

Сталь 45 является среднеуглеродистой качественной конструкционной, особенность которой – невосприимчивость к сварке. В ее характеристики входит также повышенная прочность и, в то же время, низкая вязкость и пластичность. Способ термообработки деталей зависит от условий, в которых протекает работа, где применяются нормализация и улучшение, а также закалка с низким отпуском и ТВЧ. Сталь 45 применяется в производстве деталей небольшого размера: зубчатые колеса, валы, шатуны и детали, подвергающиеся циклическим нагрузкам.

Расчетное сопротивление швов стали сварных соединений с угловыми швами

Черный металлопрокатНержавеющий металлопрокатЭлементы трубопроводаТрубная арматураЦветной металлопрокатКрепеж и метизы МеталлоконструкцииПрофнастилКровельные материалыСварочные материалы