Экономия металла при применении стали повышенной и высокой прочности
На эффективность применения в конструкциях сталей повышенной и высокой прочности оказывают влияние следующие факторы: снижение веса, повышение стоимости этих сталей по сравнению с малоуглеродистой и увеличение удельной { на 1 т } трудоемкости изготовления и монтажа конструкций.
Экономия в весе конструкции зависит от силового воздействия { растяжение, центральное сжатие, внецентренное сжатие, изгиб и т. д. } и соотношения в конструкции несущих и вспомогательных { конструктивных } деталей.
Коэффициенты снижения веса могут быть определены по известным формулам: при растяжении
$\alpha_ { { \it р } } = \frac { \psi_ { { \it л } } ^ { { \it р } } F_ { { \it л } } ^ { { \it р } } } { \psi_ { { \it з } } ^ { { \it р } } F_ { { \it з } } ^ { { \it р } } } = \frac { \psi_ { { \it л } } ^ { { \it р } } R_ { { \it з } } (p+g_ { { \it л } } ) } { \psi_ { { \it з } } ^ { { \it р } } R_ { { \it л } } (p+g_ { { \it з } } ) } ; \tag { 1 } $
при сжатии $\alpha_ { { \it с } } = \frac { \psi_ { { \it л } } ^ { { \it с } } F_ { { \it л } } ^ { { \it с } } } { \psi_ { { \it з } } ^ { { \it с } } F_ { { \it з } } ^ { { \it с } } } = \frac { \psi_ { { \it л } } ^ { { \it с } } \varphi_ { { \it з } } R_ { { \it з } } (p+g_ { { \it л } } ) } { \psi_ { { \it з } } ^ { { \it c } } \varphi_ { { \it л } } R_ { { \it л } } (p+g_ { { \it з } } ) } ; \tag { 2 } $
при внецентренном сжатии $\alpha_ { { \it в, с } } = \frac { \psi_ { { \it л } } ^ { { \it в, с } } F_ { { \it л } } ^ { { \it в, с } } } { \psi_ { { \it з } } ^ { { \it в, с } } F_ { { \it з } } ^ { { \it в, с } } } = \frac { \psi_ { { \it л } } ^ { { \it в, с } } \varphi_ { { \it вн.з } } R_ { { \it з } } (p+g_ { { \it л } } ) } { \psi_ { { \it з } } ^ { { \it в, c } } \varphi_ { { \it вн.л } } R_ { { \it л } } (p+g_ { { \it з } } ) } ; \tag { 3 } $
при изгибе $\alpha_ { { \it и } } = \frac { \psi_ { { \it л } } ^ { { \it и } } F_ { { \it л } } ^ { { \it и } } } { \psi_ { { \it з } } ^ { { \it и } } F_ { { \it з } } ^ { { \it и } } } = \frac { \psi_ { { \it л } } ^ { { \it и } } } { \psi_ { { \it з } } ^ { { \it и } } } \sqrt[3] { \frac { R^2_ { { \it з } } (p+g_ { { \it л } } )^2 } { R^2_ { { \it л } } (p+g_ { { \it з } } )^2 } } . \tag { 4 } $
В формулах { 1 } — { 4 } :
$F_ { { \it л } } ^ { { \it р } } ,~ F_ { { \it л } } ^ { { \it с } } ,~ F_ { { \it л } } ^ { { \it в, с } } ,~ F_ { { \it л } } ^ { { \it и } } $ и $F_ { { \it з } } ^ { { \it р } } ,~ F_ { { \it з } } ^ { { \it с } } ,~ F_ { { \it з } } ^ { { \it в, с } } ,~ F_ { { \it з } } ^ { { \it и } } $ — площади растянутых, сжатых, внецентренно сжатых и изгибаемых элементов из стали повышенной и высокой прочности и стали марки Ст.3;
$\psi_ { { \it л } } ,~ \varphi_ { { \it вн.з } } ,~ \varphi_ { { \it л } } ,~ R_ { { \it л } } ,~ g_ { { \it л } } $ и $\psi_ { { \it з } } ,~ \varphi_ { { \it з } } ,~ \varphi_ { { \it вн.з } } ,~ R_ { { \it з } } ,~ g_ { { \it з } } $ — ответственно строительный коэффициент, коэффициент продольного изгиба, коэффициент уменьшения напряжений при внецентренном сжатии, расчетное сопротивление и эквивалентная нагрузка от собственного веса конструкций из стали повышенной и высокой прочности и стали марки Ст.3;
$p$ — нагрузка, эквивалентная всем остальным нагрузкам, действующим на сооружение.
Строительные коэффициенты, входящие в формулы { 1 } — { 4 } , снижают экономию, получаемую при применении сталей повышенной и высокой прочности, поскольку вес конструктивных деталей остается почти постоянным и мало зависит от прочностных показателей материала.
Действительно:
$\psi_ { { \it л } } = 1 + \frac { G_ { { \it в } } } { G_ { { \it о.л } } } = 1 + \frac { G_ { { \it в } } } { a_ { { \it Т } } G_ { { \it о.з } } } $, но $\frac { G_ { { \it в } } } { G_ { { \it о.з } } } = \psi_ { { \it з } } -1 \ { \it и } \ \psi_ { { \it л } } = 1 + \frac { \psi_ { { \it з } } -1 } { a_ { { \it Т } } } . \tag { 5 } $
Здесь:
$G_ { { \it о.з } } , G_ { { \it о.л } } $ — вес основных { несущих } деталей из стали марки Ст. 3 и из низколегированной стали;
$G_ { { \it в } } $ — вес вспомогательных { конструктивных } деталей;
$\alpha_ { { \it Т } } $ — теоретический коэффициент снижения веса элемента.
Из формулы { 5 } видно, что $\psi_ { { \it л } } >\psi_ { { \it з } } $.
Порядок влияния строительных коэффициентов установим, положив $\alpha_ { { \it Т } } =0,75$ и $\psi_ { { \it з } } =1,3$, тогда
$\psi_ { { \it л } } = 1 + \frac { 1,3 -1 } { 0,75 } = 1,4,$ а отношение $\frac { \psi_ { { \it л } } } { \psi_ { { \it з } } } = \frac { 1,4 } { 1,3 } = 1,08.$
т. е. экономия стали при данных значениях $\alpha_ { { \it Т } } $ и $\psi_ { { \it з } } $ уменьшается на 8%.
В сжатых и внецентренно сжатых элементах экономия в весе уменьшается также и за счет влияния коэффициентов продольного изгиба φ и коэффициентов φвн.
При больших гибкостях отношение коэффициентов продольного изгиба может стать обратно пропорциональным отношению расчетных сопротивлений, и экономия в весе будет равна нулю.
Условием, при котором экономия стали в сжатых элементах имеет место, является неравенство
$\frac { \varphi_ { { \it з } } } { \varphi_ { { \it л } } } < \frac { R_ { { \it л } } } { R_ { { \it з } } } $
Закон изменения коэффициента продольного изгиба может быть принят в виде:
$\varphi = 1-0,4 \frac { R_ { { \it л } } } { R_ { { \it з } } } 10^ { -4 } \lambda^2$
подставив сюда значения коэффициентов $\varphi_ { { \it л } } $ и $\varphi_ { { \it з } } $ и решая относительно $\lambda$, получим
$\lambda \leq \frac { 100 } { \sqrt { 0,4\left(\frac { R_ { { \it л } } } { R_ { { \it з } } } +1\right) } } $
Значения предельных гибкостей, при которых наблюдается экономия в сжатых стержнях для стали различных классов прочности, следующая: С34 — 100; С45 — 95; С60 — 87; С75 — 80. Во внецентренно сжатых элементах влияние продольного изгиба менее существенно, и экономия зависит от величины относительного эксцентрицитета $m=e/p$, где $e$ — эксцентрицитет приложения силы, $p$ — ядровое расстояние. При этом, очевидно, экономия должна уменьшаться с увеличением относительного эксцентрицитета.
Средние результаты экономии от применения низколегированных сталей получим, приняв равным:
$R_ { { \it л } } /R_ { { \it з } } = 1,4;~ \lambda = 80;~ \psi_ { { \it з } } ^ { { \it р } } = 1,1;~ \psi_ { { \it з } } ^ { { \it с } } = 1,2;~ \psi_ { { \it з } } ^ { { \it в.с } } = 1,4;~ \psi_ { { \it з } } ^ { { \it и } } =1,2$.
В этом случае, пренебрегая влиянием изменения собственного веса конструкции, получим экономию: в растянутых элементах 25, в сжатых 10, во внецентренно сжатых 12, в изгибаемых 15%.
Размеры подсчитанной экономии подтверждаются практикой проектирования. Экономия стали в фермах, выполненных полностью из низколегированных сталей, составляет 10—12%, в балках 12—15%, в легких колоннах 8—10%, тяжелых колоннах 18—20%.
Широкое распространение получают конструкции, запроектированные из двух марок стали: пояса ферм и балок и стержни ветвей колонн из низколегированной стали, остальные элементы из малоуглеродистой стали. При этом небольшое уменьшение экономии стали компенсируется снижением стоимости за счет выполнения менее нагруженных и неработающих элементов из более дешевой малоуглеродистой стали.
Исследования, проведенные автором и инж. Е. И. Зайцевым в Донецком политехническом институте по эффективности использования высокопрочной стали, показали, что применение ее в фермах из уголков не рационально; снижение веса при применении высокопрочной стали для поясов ферм составляет всего 12—30% при значительном удорожании металла. В то же время экономия металла при применении высокопрочной стали в фермах из трубчатых тонкостенных профилей достигает 55%.
Характерным является то, что близкий к этой величине размер экономии получается не только для пролетов 30—36 м, но и при пролете 24 м, что можно объяснить применением для ферм пролетом 24 м, где усилия невелики, наиболее тонкостенных трубчатых профилей.
Ожидаемая экономия в балках из стали классов С45, С50, С60, С75 при условии обеспечения требований жесткости равна соответственно 25, 29, 36, 42%.
В колоннах экономия металла зависит от гибкости и относительного эксцентрицитета. На размер экономии весьма сильно влияет большая величина строительного коэффициента, который для колонн составляет 1,5—1,7.
Экономия металла в колоннах, полностью выполненных из высокопрочной стали, составляет 20—35%. Для повышения эффективности применения высокопрочной стали в колоннах необходимо выполнять из этой стали только основной стержень, а все остальные детали проектировать из стали более низкой прочности.
По исследованиям Е. И. Зайцева экономия от применения высокопрочной стали класса С60 в каркасе промышленного здания должна составлять 35%.
В отечественной практике сталь высокой прочности применялась пока только для опытных конструкций. При этом так же, как и для низколегированной стали, высокопрочную сталь применяли для основных тяжелонагруженных элементов, а для прочих элементов использовалась менее прочная сталь.
Так, институт Проектстальконструкция применил высокопрочную сталь класса С60 в поясах главных балок специального моста, выполнив стенку из стали марки 10ХСНД. В трубчатых фермах, запроектированных ЦНИИСК, для поясов применена сталь класса С50, для решетки — сталь марки Ст.3, при этом экономия составила 40—45%.
В фермах и арках больших пролетов { 48—120 м } по опытному проекту института Проектстальконструкция при применении стали класса С60 и С75 экономия в весе оценивается в 30—40%.
В опытных балках и колоннах, запроектированных из высокопрочной стали класса С60 инж. Е. И. Зайцевым, экономия в весе составила соответственно 35 и 30%.
Таким образом, использование высокопрочной стали более эффективно в конструкциях с применением трубчатых профилей и в конструкциях, где из этой стали выполняются только наиболее нагруженные элементы.
Далее:
Чертеж блока подкрановых балок
Рекомендации к разработке чертежей КМД
Примеры рабочих чертежей металлоконструкций КМД
Чертеж связи из уголков по фермам
Чертеж бункера
Технологичность конструкций при монтаже
Основные положения оформления монтажных схем
Тематическая подборка для проектирования строительных конструкций
Экономичность конструкций
Теорема Остроградского
Онлайн калькуляторы и программы расчета конструкций
Учет допусков на размеры проката
Подготовка кромок для сварки в КМД
Научно-технический прогресс в проектировании металлоконструкций
Чертеж резервуара объемом 25 м3
Огравление $\Rightarrow $