Металлические конструкции. Том 2. Конструкции зданий

9.1.4. Оценка качества стали эксплуатируемых конструкций. Определение расчетных сопротивлений материала и соединений

Оценка качества стали, составляющая один из этапов обследования зданий при реконструкции, включает в себя определение химического состава и прочности стали. Знание химического состава позволяет качественно оценить склонность стали к хрупкому разрушению, дать оценку ее свариваемости [1] (пп.2.1.1.; 4.3). Для конструкций, эксплуатируемых при пониженных температурах, в которых при обследовании обнаружены трещины, следует провести испытания по определению ударной вязкости.

В настоящее время в нашей стране еще эксплуатируются металлические конструкции, построенные в XIX и начале XX вв. В большинстве своем это балки перекрытий жилых зданий, конструкции покрытий общественных зданий. Большинство эксплуатируемых производственных зданий со стальными каркасами построены в 30-е годы XX в. и позже. Поэтому вам будет полезно познакомиться с наиболее распространенными материалами (железо, сталь), применявшимися для металлических конструкций в разные годы.

432

Таблица 9.2.Значение допускаемых напряжений

В 1896 г. постановлением Съезда инженеров службы пути и зданий русских железных дорог для литого железа было установлено допускаемое напряжение 1000 кг/см² (табл.9.2). При этом временное сопротивление должно быть не менее 33 кг/мм² (толщина 4...20 мм, а относительное удлинение - не менее 20 %). До 1935 г. величину предела текучести не определяли.

В 1932 г. были введены первые общесоюзные нормативные документы. В соответствии с ОСТ 2897 для наиболее распространенной марки стали СтЗ временное сопротивление находилось в пределах 38...45 кг/мм², а предел текучести должен быть не менее 22 кг/мм². Среднее значение предела текучести составило 24 кг/мм², коэффициент запаса принимали равным 1,7, допускаемое напряжение - 14 кг/мм². В 30-е и 40-е годы широко применяли Ст3 пониж., имевшую отступления от требований Ст3 в меньшую сторону по удлинению. Такую сталь разрешалось приравнивать к Ст2 и принимать допускаемое напряжение 12 кг/мм².

В 1942 г. коэффициент запаса был снижен до 1,5 (по отношению к пределу текучести 24 кг/мм²) и для Ст3 принято допускаемое напряжение - 1600 кг/см². В Нормах и технических условиях 1946 г. (НиТУ 1-46) величина допускаемого напряжения для Ст3 также принята равной 1600 кг/см².

В НиТУ 121-55 (первых нормах, основанных на методе расчета по предельным состояниям) для Ст3 принято расчетное сопротивление R = 2100 кг/см².

В нормах проектирования стальных конструкций СНиП II-В.3-62 и СНиП II-В.3-72 величина расчетного сопротивления для Ст3 осталась прежней 2100 кг/см² (для толщины до 30 мм).

В СНиП II-23-81 "Стальные конструкции" расчетные сопротивления были увеличены и более дифференцированы в зависимости от толщины ([1] п.3.2 и приложение 1).

Важнейшей характеристикой прочности стали, необходимой для проведения проверочных расчетов, является расчетное сопротивление R_y. При наличии чертежей КМ, КМД и сертификатов на сталь его величину

433

для конструкций, запроектированных после 1955 г., можно принять в соответствии с Нормами, действовавшими в период проектирования. Так, для стали Ст3 в период с 1956 г. по 1982 г. R_y = 21 кН/см² (для толщины 31...40 мм R_y = 19 кН/см², свыше 40 мм R_y = 1 7 кН/см²). При отсутствии документации для такой стали, не проводя испытаний, можно принять минимальное значение R_y = 16,5кН/см².

Во всех остальных случаях расчетное сопротивление стали следует определять по результатам испытаний образцов, вырезанных из конструкций. Количество образцов, вырезанных из однотипных элементов (пояса ферм, решетка ферм, пояса подкрановых балок и т.д.) одного вида проката (по номерам профилей, толщинам листа), должно быть не менее 10.

Расчетное сопротивление стали определяют делением нормативного сопротивления R_n (предела текучести R_yn или временного сопротивления R_un) на коэффициент надежности по материалу γ_т.

Стали, применявшиеся до 1932 г. (срока введения первых общесоюзных нормативных документов), имели большой разброс свойств, поэтому для них коэффициент надежности по материалу следует принимать 1,2.

После введения ОСТа на стали однородность металлопроката улучшилась, и для конструкций, изготовленных в период 1933-1982 гг., значение коэффициента γ_т можно снизить. Для сталей с пределом текучести σ_у< 38 кН/см² γ_т принимают равным 1,1.

Для зданий, построенных после 1982 г. и запроектированных по СНиП II-23-81, коэффициент надежности по материалу следует принимать в соответствии с действующими Нормами [7].

Нормативное сопротивление стали R_n по результатам испытаний определяют по формуле:

где - среднее арифметическое значение предела текучести или временного сопротивления испытанных образцов; - коэффициент, учитывающий объем выборки; - среднее квадратическое отклонение результатов испытаний; σ_i - предел текучести или временное сопротивление i-го образца; п - число испытанных образцов.

Исследования показали, что прочность стали несколько снижается в результате коррозионных повреждений. Поэтому для элементов конструкций,

434

имеющих коррозионный износ с потерей более 25 % площади поперечного сечения или остаточную после коррозии толщину 5 мм и менее, расчетные сопротивления следует снижать, умножая их на коэффициент γ_d. Этот коэффициент в зависимости от степени агрессивности среды принимают равным: для слабоагрессивной - 0,95; среднеагрессивной - 0,9; сильноагрессивной - 0,85.

Пример 9.1. Реконструируется 4-этажное жилое здание, построенное в начале XX в.

Требуется определить расчетное сопротивление R_y стали балок перекрытий (I № 20). Для испытаний было вырезано 10 образцов из полок двутавров. Значения предела текучести σ_у, полученные в результате испытаний стандартных образцов на растяжение, приведены в табл. 9.3.

Таблица 9.3.Результаты испытаний

Определяем среднее арифметическое значение предела текучести:

Определяем среднее квадратическое отклонение (стандарт):

Нормативное сопротивление R_yn определяем по формуле (9.2.):

R_yn = σ_уп - αS = 22,4 - 2,37 · 0,357 = 21,6 кН/см².

Здание построено до 1933 г., поэтому принимаем γ_т = 1,2.

Определяем расчетное сопротивление:

R_y =

Ryn

γm

  =

21,6

1,2

  = 18,0 кН/см².

Расчетные сопротивления сварных соединений конструкций, подлежащих реконструкции или ремонту, следует назначать с учетом марки стали, сварочных материалов, видов сварки, положения шва и способов контроля, примененных в конструкции.

При отсутствии установленных нормами необходимых данных допускается принять для угловых швов:

435

• по металлу шва R_wf = 0,55

  Rwun

  γwm

    γ_с;
• по металлу границы сплавления R_wz = 0,45R_un γ_c, приняв R_wun = R_un, γ_wm = 1,25, γ_с = 0,8 и β_f = 0,7, β_Z = 1,0.

Для растянутых стыковых швов при условии возможности применения электродов с тонкой обмазкой R_wy = 0,65R_y. Это расчетное сопротивление можно принять для конструкций, построенных в 30 - 50-х годах. Для конструкций, построенных в 60-е годы и позже, R_wy = 0,85R_y.

Расчетное сопротивление болтов принимают в соответствии с их классом прочности. Если невозможно установить класс прочности болтов, значение расчетных сопротивлений следует принимать как для болтов класса прочности 4.6 при расчете на срез и класса прочности 4.8 при расчете на растяжение.

В конструкциях зданий, построенных в начале XX в. до 40-х годов, в основном применялись заклепочные соединения ([1] п.4.4.2). Если в исполнительной документации отсутствуют указания о способе обработки отверстий и материале заклепок, расчетное сопротивление следует принимать как для соединения на заклепках группы С из стали Ст2: на срез R_rs = 16 кН/см²; растяжение (отрыв головки) R_rt = 12 кН/см²; смятие R_rp = 1,7 R_y (R_y - расчетное сопротивление металла соединяемых элементов).

436