Выявление резервов несущей способности стальных строительных конструкций на основе совершенствования методов их расчета и рационального применения современных материалов

Стальные конструкции широко используются в строительстве более ста лет. В настоящее время область рационального использования этих конструкций достаточно велика, здесь ежегодно расходуются сотни тысяч тонн проката. Очевидно, что и в XXI веке стальные конструкции будут применяться достаточно широко. Поэтому обеспечение высокой экономической эффективности стальных конструкций и сооружений относится к важнейшим народно-хозяйственным проблемам.

Очевидно, что техническая и экономическая эффективность и, в конечном счете, конкурентная способность стальных конструкций обеспечивается при постоянном и своевременном учете и отражении в строительных нормах и правилах последних достижений в развитии методов их расчета и проектирования, современных технологий изготовления, а также в создании и использовании новых марок сталей.

Во второй половине XX века глава строительных норм, регламентирующая нормы и правила проектирования стальных строительных конструкций, пересматривалась примерно один раз в десять лет (Ни ТУ 55, СНиП П-В. 3−62, СНиП П-В.З-72, СНиП 11−23−81*). Однако со времени выхода последней редакции данные нормы не пересматривались около 20-ти лет. Это обстоятельство привело к тому, что действующая глава СНиП 11−23−81* «Стальные конструкции. Нормы проектирования» в ряде разделов не отражает основные достижения строительной науки в области металлостроительства и, вообще, современные экономические и хозяйственные условия изготовления рассматриваемых конструкций.

Среди значимых технических и научных явлений, существенно повлиявших на развитие проектирования стальных строительных конструкций, следует выделить интенсивное развитие вычислительной техники, интегрирование отечественного строительства в мировую хозяйственную систему, в том числе и в части нормирования и стандартизации, а также начавшиеся интенсивные работы по реконструкции, ремонту и восстановлению в сжатые сроки зданий, особенно построенных в начале XX века и ранее и требующих для этого значительных инвестиционных вложений. Наконец, за последние 10−15 лет существенные изменения произошли в металлургической промышленности, приведшие к созданию и освоению строительных сталей нового поколения, отличающихся от регламентированных действующими нормами, изменились подходы к оценке служебных свойств проката и конструкций, а также представления о хрупких разрушениях металлических конструкций.

Используя достижения в перечисленных направлениях можно существенно повысить эффективность действующих строительных норм и правил, и, соответственно, эффективность проектируемых по ним стальных конструкций.

При этом наиболее актуальной мы считаем проблему, связанную с выявлением резервов несущей способности стальных строительных конструкций и повышением их сопротивления хрупким разрушениям, основанным на совершенствовании методов их расчета и проектирования, а также рациональном применении как традиционных, так и новых материалов.

Одними из наиболее актуальных вопросов рассматриваемой проблемы по нашему мнению здесь являются вопросы совершенствования научных основ проектирования колонн двутаврового составного сечения для реконструируемых зданий, изыскания возможности дальнейшего использования балок междуэтажных перекрытий при реконструкции зданий старинной постройки, разработка положений проектирования хладостойких конструкций из обычных малоуглеродистых сталей, а также вопрос создания новой концепции рационального использования современных сталей в металлических конструкциях. Рассмотрим актуальные вопросы обсуждаемой проблемы.

Рекомендации по расчету колонн двутаврового сечения, изложенные в СНиП П-23−81* «Стальные конструкции. Нормы проектирования», основаны на определении предельной нагрузки колонны (стержня) в плоскости действия изгибающего момента, совпадающей с плоскостью стенки, с учетом развития пластических деформаций в сечении в том числе и в стенке. При этом подходе реализуется принцип равноустойчивости стержня и стенки при плоской форме потери устойчивости, и он является основным в практических расчетах колонн. Дополнительно к этому положению в нормах сформулированы соответствующие требования по проверке устойчивости колонн из плоскости действия момента, а в отдельных случаях требования по расчету с учетом закритической работы стенки путем введения понятия редуцированной (эффективной) высоты стенки. То есть основные проверки предельных состояний колонн в действующих нормах ориентированы на расчеты с учетом пластических деформаций с отдельными случаями расчетов с учетом за-критической работы стенки, для которой предельные значения гибкости также определены при наличии в стенке пластических деформаций.

Таким образом, действующие нормы не содержат прямых рекомендаций по подбору сечений колонн (стержней), работающих в пределах упругих деформаций, что объясняется достаточно распространенным мнением о том, что наиболее эффективными являются сечения элементов, рассчитанные с учетом развития пластических деформаций.

В нормативных документах зарубежных стран содержатся рекомендации по расчету сечений как с учетом развития пластических деформаций, вплоть до пластического шарнира (сечения 1-го и 2-го классов), так и в пределах упругих деформаций (сечения 3-го класса), а также с учетом редуцирования стенок и поясов сечения (сечения 4-го класса). Такая структура норм в принципе позволяет рассмотреть несколько конструктивных решений элементов конструкций в зависимости от метода расчета для того или иного класса сечения и принять наиболее эффективное решение, отвечающее конкретным условиям проектирования.

При широко проводимыми в настоящее время реконструкцией и капитальным ремонтом зданий, построенных в начале XX века, основным вопросом оценки несущей способности и деформативности сохраняемых стальных конструкций, в первую очередь балок междуэтажных перекрытий, являются соответствия с требованиями современных нормативных документов. Дело в том, что указанные балки в свое время проектировались согласно рекомендациям действовавшего тогда Урочного Положения, которые принципиально отличаются от современных методов расчета строительных конструкций по предельным состояниям.

Раздел, посвященный реставрации и реконструкции стальных конструкций, в действующих нормах СНиП 11−23−81* составлялся во время, когда еще не имелось достаточного опыта по восстановлению старинных зданий. Вместе с тем, проектирование стальных конструкций в зданиях старой постройки имеет ряд особенностей, которые должны учитываться при разработке проекта и выполнении работ по усилению.

Практически не рассмотрены вопросы действовавших в то время нагрузок, а также определения коэффициентов надежности по нагрузке для первой и второй.

— югрупп предельных состояний, без чего нельзя выполнить расчеты по действующим в настоящее время нормам и оценить уровень надежности сохраняемых балок.

Один из самых сложных вопросов при восстановлении конструкций начала века — это оценка возможности использования электросварки, поскольку она начала применяться при создании соединений в стальных конструкциях в мировой практике лишь в 20-х годах нашего столетия, а старинный прокат в основном изготовлен из несвариваемой или плохо свариваемой стали.

При реконструкции старых зданий часто возникает вопрос усиления существующих балок при действии на них части эксплуатационной нагрузки, которая в общем случае меньше ожидаемой расчетной для первой группы предельных состояний. В этом случае необходимо выполнить анализ изменения напряженного состояния балок с увеличением нагрузки до расчетной при различных схемах их усиления с установлением соответствующих предельных состояний. Этот вопрос требует особого анализа в каждом конкретном случае и исследования в этом направлении практически отсутствуют. Решение перечисленных вопросов реконструкции и ремонта старинных стальных балочных конструкций также является актуальным, дальнейшее их использование в качестве несущих конструкций междуэтажных перекрытий позволит сократить сроки работ и снизить инвестиционные вложения.

Важнейшей современной народно-хозяйственной проблемой является создание строительных стальных конструкций, в которых рациональным образом обеспечивается требуемое сопротивление хрупкому разрушению.

Действующие нормы проектирования, изготовления и монтажа стальных строительных конструкций предусматривают целый ряд требований и предписаний, направленных на предотвращение хрупких разрушений элементов конструкций. Важнейшими из этих мероприятий, выделяемых в СНиП 11−23−81* в отдельные разделы, являются выбор марки стали для конструкций, а также выбор рациональной конструктивной формы.

Изготовление стальных конструкций по СНиП 11−23−81* в первую очередь предполагается производить из проката, поставляемого по ГОСТ 27 772–88. Эти нормативные документы и, соответственно, подходы к назначению сталей в сооружениях были разработаны более десяти лет назад и в ряде основных положений.

— нне соответствуют реалиям настоящего времени. За последние 10−15 лет в металлургической и строительной промышленности произошли важные явления.

Например, стали, применение которых в конструкциях регламентировалось СНиП П-23−81*, по существу являются марганцовистыми. Однако марганец в границах Российской Федерации является остродефицитным элементом, потребности народного хозяйства здесь удовлетворяются менее, чем на 10%. Отсюда возникает необходимость использования или создания сталей повышенной прочности, альтернативных существующим сталям с марганцем.

ГОСТ 27 772–88 «Прокат для строительных стальных конструкций. Общие технические условия» не пересматривался с момента выхода, он также ориентирован на марганцовистые стали и прокат по нему выпускается далеко не всеми заводами и комбинатами РФ. Этот факт также затрудняет или делает невозможным выполнение требований СНиП П-23−81*. Серьезно пересмотрен стандарт ГОСТ 38 071, на который также фактически ссылается СНиП П-23−81*.

За последние 10 лет произошла интеграция отечественной строительной индустрии в мировую экономику, в связи с чем на стройках появился прокат зарубежного, чаще всего европейского производства, поставленный по зарубежным нормам, не совпадающими с отечественными.

За последнее время в ряде случаев изменились подходы к оценке служебных свойств проката и конструкций (в частности по выбору наиболее представительных характеристик и методов испытаний, характеризующих сопротивляемость хрупким разрушениям), а также представления о хрупких разрушениях металлических конструкций, действии факторов охрупчивания, что позволяет эффективнее использо вать ресурсы материалов, нежели в СНиП П-23−81, и предложить более рациональные и экономические конструктивные решения.

В последние годы стали высокой прочности с ат> 390.590 Н/мм2 используются редко. В определенной степени эта тенденция связана с тем, что регламентированные СНиП П-23−81* стали С390, С 440 и С590 оказались в ряде случаев недостаточно надежными при воздействиях, имеющих место при изготовлении и эксплуатации конструкций.

В связи с изложенным актуальными оказались вопросы, связанные с разработкой научных основ нормирования применения малоуглеродистых сталей в хла.

— адостойких стальных конструкциях, вопросы применения новых сталей повышенной и высокой прочности с пониженным содержанием марганца в массовых и уникальных конструкциях при условии обеспечения эксплуатационной надежности последних.

Для обеспечения конкурентной способности и технико-экономической эффективности современных стальных конструкций необходимо прежде всего развить действующие нормы, а, следовательно разработать научные основы этих норм, в первую очередь, по таким актуальным вопросам как совершенствование методов расчета и проектирования колонн, балок, прежде всего для условий реконструкции и ремонта зданий, а также создание новой системы назначения сталей в конструкции, позволяющей обеспечивать их высокое сопротивление хрупким разрушениям при рациональном использовании традиционных и новых сталей.

Целью исследований является выявление резервов несущей способности и повышение сопротивления хрупким разрушениям стальных строительных конструкций на основе совершенствования методов их расчета и проектирования, а также рационального применения традиционных и новых материалов.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи.

1. Разработка методов и программ расчета компоновки сечений минимальной площади колонн составных двутавровых сечений при их работе в пределах упругих деформаций для сечений с устойчивыми стенками и для сечений с гибкими стенками с учетом их закритического поведения. Результаты расчета применимы при недогрузке колонн, обусловленной конструктивными требованиями или условиями их работы.

2. Определение нормативных соотношений между числовыми показателями, используемыми в расчетах по различным нормативным документам, и разработка с учетом полученных данных рекомендаций по оценке возможности дальнейшего использования стальных балок (с выявлением резервов несущей способности без усиления или с усилением) в реконструируемых зданиях старинной постройки.

3. Установление наиболее эффективных методов усиления и разработка принципов создания соединений с применением сварки сохраняемых стальных балок междуэтажных перекрытий зданий постройки первой четверти XX века и ранее.

— УЗ.

4. Уточнение на основе экспериментальных исследований механизма перехода стальных конструкций из вязкого состояния в хрупкое и установление критериев потери несущей способности с учетом хрупкого разрушения для сооружений с различной степенью ответственности.

5. Разработка основ конструирования частей зданий и сооружений из малоуглеродистых сталей в условиях эксплуатации при низких климатических температурах.

6. Разработка научных основ нормирования малоуглеродистых сталей при проектировании металлических конструкций, в том числе с учетом современных возможностей металлургической промышленности и необходимости гармонизации отечественных и зарубежных норм.

7. Исследование возможности применения в строительстве проката малоуглеродистых сталей с повышенной и высокой прочностью и хладостойкостью.

8. Разработка предложений по назначению новых сталей, в том числе при строительстве уникальных сооружений.

Научную новизну работы составляют следующие результаты, защищаемые автором.

— Разработаны методики и составлены программы расчета на ЭВМ колонн составного двутаврового сечения с устойчивой стенкой, работающих в пределах упругих деформаций, и гибкой стенкой, позволяющие компоновать сечение минимальной площади.

— Предложены расчетные и конструктивные подходы, определяющие возможность дальнейшего использования стальных балочных конструкций в реконструируемых зданиях старинной постройки при обеспечении их несущей способности и эксплуатационной надежности.

— Экспериментально исследована физическая природа перехода элементов конструкций из вязкого состояния в хрупкое. Предложено область вязко-хрупкого перехода делить на две области — собственно квазихрупкого разрушения и разрушения после деформационного упрочнения. Дано определение обеих областей.

— Определены основные «сильные» факторы охрупчивания, выдвинута и подтверждена гипотеза о том, что хрупкое разрушение, как правило, происходит при одновременном действии не менее четырех основных факторов охрупчивания.

Действие трех основных факторов охрупчивання не приводит к хрупкому разрушению. В последнем случае допустимая температура эксплуатации лежит около температуры нулевой пластичности Тнп и сама конструкция может быть изготовлена из малоуглеродистой стали.

— Показано, что сосредоточенное относительное удлинение в шейке 5С является наиболее представительной характеристикой пластичности строительных сталей, особенно для оценки пластичности материала при действии отрицательных температур.

— Разработана схема взаимодействия фазы неметаллических включений и металлической матрицы при различной чистоте материалов и различных механизмах упрочнения. Установлено, что повышая чистоту металла по вредным примесям и увеличивая степень глобулированности неметаллических включений можно повысить величину сосредоточенного относительного удлинения до уровня 8С = 15%, при этом относительное удлинение 65 > 25% и относительное сужение ЧРг > 15% независимо от прочности проката (в диапазоне ат = 235. .440 Н/мм2).

— Разработаны научные основы новых предложений по назначению проката в строительные стальные конструкции. В основу предложенной концепции положена разработка новых требований к прокату, позволяющих применить обеспеченный современной металлургической промышленностью широкий круг экономически эффективных сталей с пониженным содержанием дефицитного в России марганца. Сформулировано понятие о современной малоуглеродистой стали для металлических конструкций.

Практическая ценность работы состоит в следующем.

1. Разработан расчет колонн минимальной площади составного двутаврового сечения с устойчивой стенкой, работающих в пределах упругих деформаций, и гибкой стенкой, при этом экономия металла в колоннах, спроектированных по новым принципам, составит 10.25%. Составлены предложения в новую редакцию норм проектирования стальных конструкций к разделу по расчету колонн составного двутаврового сечения при усилении и ремонте конструкций.

2. Предложены инженерные методы и нормативные подходы обеспечения несущей способности балочных конструкций, в первую очередь междуэтажных перекрытий, при рациональном использовании старинных сталей. Разработаны пред.

— У5-ложения в новую редакцию норм проектирования стальных конструкций в раздел по проектированию конструкций зданий и сооружений при реконструкции.

3. Разработаны предложения для новой редакции норм проектирования стальных конструкций в части уточнения расчета неразрезных балок постоянного двутаврового сечения с учетом перераспределения опорных и пролетных моментов.

4. Показаны практические рациональные пути обеспечения хладостойкости конструкций из малоуглеродистых сталей при температуре эксплуатации ниже минус 40 °C за счет уменьшения действия в конструкции количества сильных факторов охрупчивания. Как предложения в новую редакцию норм составлены общие положения, которые необходимо учитывать при расчете конструкций на прочность при опасности хрупкого разрушения.

5. Разработаны гармонизированные с Евростандартами предложения для новой редакции норм проектирования стальных конструкций в части рационального назначения и выбора марок сталей для металлических конструкций. Сделанные предложения в отличие от действующих норм существенно расширяют область применения малоуглеродистых сталей.

Внедрение результатов. Результаты проведенных исследований использовались при составлении «Рекомендаций по применению углеродистой стали для строительных металлических конструкций (изгибаемых элементов) при температурах ниже минус 40 °C с целью замены низколегированных марок сталей (сталь марки ВСтЗсп по ГОСТ 380–71* и ТУ 14−1-3023−80 в толщинах не более 16 мм для климатических районов 12, Пг и И3 с расчетной температурой минус 50 °C и выше)" — «Рекомендаций по расчету и проектированию элементов опор линий электропередач ВЛ и ОРУ из стали ВСтЗсп в климатических районах 1Ь П2 и П3 с расчетной температурой минус 45 °C и выше" — «Рекомендаций по применению малоуглеродистых сталей в металлических конструкциях объектов, проектируемых Управлением Моспроект-2».

Результаты работы использовались также на стадии проектирования, выбора материалов и обоснования конструктивных решений в проектных институтах Мос-проект — 1, Моспроект — 2, Энергосетьпроект. Результаты исследований, приведенные в настоящей работе, использованы при разработке проектов усиления стальных балочных конструкций, а также при проектировании и усилении стальных колонн составного двутаврового сечения при реконструкции производственных цехов Московского Хрустального завода им. Калинина (цеха старинной постройки по ул. Большая Новодмитровская), Государственного космического центра им. Хру-ничева (ул. Новозаводская), встроенных помещений спорткомплекса «Олимпийский», старинных зданий страховой компании «РЕСО-Гарантия» по ул. Гашека и ул. Спиридоновка, старинного здания Банка «Менатеп» по Уланскому переулку, старых помещений механо-сборочного цеха з-да «Красная Пресня» по ул. Пресненский вал, старых производственных корпусов з-да «Борец», инженерного корпуса ВНИИизмерения, встроенных помещений киноконцертного зала комбината «Известия» (после реконструкции-кинотеатр «Кодак — Кино мир»), старинных производственных цехов завода «Химволокно» в г. Серпухов.

Результаты исследований были также использованы при усилении колонн из старинной стали помещения «Банка Рябушинского» в реконструируемом здании Старого Гостиного Двора, а также при выборе стали для несущих конструкций покрытия внутреннего пространства Старого Гостиного Двора, а также на ряде других объектов.

Основные результаты исследований докладывались на XIV конференции Уральской школы металловедов-термистов «Фундаментальные проблемы физического металловедения перспективных материалов» (Ижевск-Екатеринбург, февраль.

1998 г.), на IIIем научно-техническом семинаре «Прочность материалов и конструкций при низких температурах» (Санкт-Петербург, апрель 1998 г.), на конференции «Металлические конструкции: настоящее и будущее», посвященной 90-летию Н. П. Мельникова (Москва, декабрь 1998 г.), на конференции «Потенциал ВУЗов и московских ученых — в интересах города» (Москва, март 1999 г.), на конференции «Бернштейновские чтения по термомеханической обработке» (Москва, октябрь.

1999 г.), на XV конференции Уральской школы металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения стали и сплавов» (Екатеринбург, 14−18 февраля 2000 г.), на секциях металлоконструкций Научно-технического совета ЦНИИСК им. Кучеренко.

Диссертация подготовлена в лаборатории металлических конструкций ГУП ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко Госстроя России, в ней приведены результаты исследований, выполненных в период 1990;1999 г. г., которые были направлены на комплексную постановку и решение научной проблемы повышения эффективности стальных конструкций на основе использования резервов их несущей способности, рационального применения материалов для металлических конструкций, разработки и внедрения новых конструктивных решений, прогрессивных технологий, создания и применения новых материалов.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с решениями научно-технических проблем, утвержденных Госстроем России и НТС ГНЦ «Строительство» и ГУП ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко в части создания эффективных стальных конструкций повышенной хладостойкости, расширения области применения малоуглеродистых сталей и создания сталей, обладающими высокими эксплуатационными свойствами, а также совершенствования нормативных документов.

Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, приложений и библиографии.

Основные выводы.

1. Разработана методика расчета колонн составного двутаврового сечения, предельное состояние которых определяется устойчивостью стенки, работающей в пределах упругих деформаций, позволяющая в процессе расчета за один цикл подобрать и скомпоновать сечение минимальной площади.

Сопоставительные расчеты и результаты опытного проектирования показали, что сечения колонн с устойчивой стенкой, рассчитанные в пределах упругих деформаций по предлагаемой методике, на 10−20% меньше площадей составных сечений и на 10−30% меньше площадей сечений из широкополочных двутавров, рассчитанных с учетом развития пластических деформаций, если нет ограничений по габаритам сечений.

2. Предложена формула (1.12) для определения предельного значения условной гибкости стенки внецентренно-сжатой колонны в зависимости от вида эпюры напряжений (от центрального сжатия до изгиба при упругой работе материала) с учетом влияния касательных напряжений, которые в колоннах обычно не превосходят значения х < 0,2 В^. Показано, что при этом предельные значения изменяются в пределах от 2,0 (для сжатия) до 5,1 (для изгиба) и превышают соответствующие значения Л щу, рекомендуемые нормами проектирования при расчетах с учетом пластических деформаций.

Проведенные сравнительные расчеты показали, что при учете касательных напряжений х = 0,211д площади колонн увеличиваются на 1,5 — 2,0%.

3. Разработана методика расчета колонн двутаврового сечения с гибкой стенкой в предположении, что предельное значение условной гибкости устойчивой стенки определяется из расчета в пределах упругости. Установлено, что точность получаемых результатов на основе рекомендуемой методики расчета колонн с гибкой стенкой составляет в среднем 3−7%, что доказывает правомерность использования принятых эпюр напряжений и формулы для определения редуцированной высоты стенки.

Результаты проведенного опытного проектирования показали, что в практических расчетах колонн с гибкой стенкой целесообразно применять значения фактической условной гибкости стенки в пределах Д ^ < ^ < 2 (где Д = 2,0 -5- 5,1). При этом.

— 342. снижение площадей сечений таких колонн по сравнению с оптимальными сечениями колонн с устойчивой стенкой составляет 5 -ь 12%.

4. Установлено, что отношение площади пояса к площади стенки в двутавровых колоннах минимальной площади для сечений с устойчивой стенкой равно 0,5 (как и для таких же балок, рассчитанных в пределах упругости).

В колоннах с гибкой стенкой отношение площади пояса к площади стенки А№ должно приниматься более 0,5 и тем больше, чем больше условная гибкость стенки Д ^ Это объясняется тем, что часть гибкой стенки выключается из работы, вследствие чего более важное значение в работе сечения приобретают пояса, удельный вес которых при этом должен увеличиваться количественно. Предельная условная гибкость пояса во всех случаях должна приниматься не более 0,5, что обеспечивает определенный запас устойчивости поясов по сравнению со стенкой и тем самым повышает надежность сечения колонны в целом.

5. Предложена классификация старинных сталей для металлических конструкций по способу выплавкипудлинговая, конверторная и мартеновская. Установлено, что эти стали различаются по микроструктуре, служащей основой работы материала в конструкциях, а металлографический анализ должен быть основным при идентификации старинных сталей. У пудлинговой стали структура как у искусственных композитных материалов состоит из крупных ферритных зерен и вытянутых крупных шлаковых включений. Структура старинных конверторных сталей отличается от современных наличием крупных неметаллических включений, структура мартеновских сталей мало отличается от структуры современных сталей.

Определено, что сварка пудлинговых сталей недопустима, для старинных конверторных сталей необходима разработка специальной технологии сварки.

6. Показано, что статический метод определения Яуп, указанный в нормах, для случая старинных сталей применять не следует. Для определения по результатам испытаний небольшого количества образцов (меньше чем 10) следует учитывать коэффициент надежности экспериментальных данных *РП, определяемый по формуле (2.2), при двух образцах необходимо принимать меньшее из двух полученных значений (ат), при одном образце следует принимать = 1,1.

— 343 В зависимости от коррозионного износа сохраняемых балок, а также при наличии иных дефектов и отклонений размеров сечений необходимо вводить понижающий коэффициент Ус} = 0,85 -г- 0,95.

7. Для оценки предельных состояний элементов металлических конструкций в зданиях старой постройки коэффициент надежности по материалу для бессемеровской и мартеновских сталей рекомендуется принимать равным ут = 1,2- для пудлинговой.

Ут=1,3.

Принимавшуюся ранее согласно Урочному Положению суммарную нагрузку на балки междуэтажных перекрытий для жилых зданий 6 кН/м2 (4,2 кН/м2 — постоянную- 1,8 кН/м2 — временную) рекомендуется принимать в качестве нормативной.

Коэффициент надежности по нагрузке для первой группы предельных состояний балок согласно рекомендациям СНиП 2.01.07−85 следует принимать равным yf = 1,25 как для постоянной, так и для временной нагрузок.

Для второй группы предельных состояний расчетное значение нагрузки согласно рекомендациям тех же норм по нагрузкам следует принимать равным 4,2 + 0,7 = =4,9 кН/м2.

8. При усилении балок междуэтажных перекрытий в зданиях старой постройки целесообразно применять в первую очередь решения, связанные с изменением расчетной схемы балок, снижением нагрузки за счет установки дополнительных балок и уменьшением расчетной длины сжатого пояса путем его развязки. В крайних случаях возможно усиление путем увеличения сечения. Весьма эффективным способом усиления балок междуэтажных перекрытий с возможностью увеличения нагрузки в 2 и более раза является изменение расчетной схемы за счет применения дополнительных опор, в том числе учета поддерживающего влияния перегородок.

9. Разработана методика расчета неразрезных балок междуэтажных перекрытий с одной или двумя дополнительными опорами, которая позволяет достаточно просто выполнять расчеты по оценке предельных состояний усиливаемых балок при различных критериях (краевая текучесть, пластический шарнир, кинематический механизм разрушения) и с разным расположением опор в пролете.

На основании проведенного сравнительного анализа предельных состояний усиливаемых за счет применения дополнительных опор балок междуэтажных перекрытий с равномерно распределенной нагрузкой показано, что рекомендации норм по расчету не.

— гмразрезных балок постоянного двутаврового сечения с учетом перераспределения опорных и пролетных моментов можно распространить при смежных пролетах, отличающихся более чем на 20%.

10. Показано, что закономерность перехода стальных конструкций из вязкого состояния в хрупкое, характеризуется немонотонным изменением разрушающей нагрузки.

Предложено область перехода из вязкого состояния в хрупкое делить на два участка — собственно квазихрупкого разрушения, где разрушающая нагрузка «РТа количество волокна в изломе В = 0%, а также разрушения после деформационного упрочнения в условиях стеснения развития пластических деформаций, здесь Р£ > РТ) а 0% <

В < 50%. Граница между этими участками определена как температура нулевой пластичности ТнпПоказано, что ниже Тнп конструкции эксплуатировать не следует из-за возможности перехода в хрупкое состояние.

11. Рассмотрено действие на переход из вязкого состояния в хрупкое основных «сильных» факторов охрупчивания: 1) низкая температура- 2) масштабный фактор- 3) динамический характер нагружения- 4) высокая концентрация напряжений- 5) неблагоприятная структура металла и их комбинаций. Хрупкое разрушение развивается лишь при действии растягивающих напряжений, роль перечисленных факторов охрупчивания сводится к стеснению развития пластических деформаций. Действие отдельных сильных факторов охрупчивания примерно разнозначно. Показаны пути устранения действия этих факторов.

Выдвинута гипотеза и установлено, что хрупкое разрушение конструкции происходит при одновременном действии четырех и более основных факторов охрупчивания. Действие трех основных факторов «охрупчивания» не приводит к хрупкому разрушению. В этом случае допустимая температура эксплуатации лежит около Тнп (1:э * Тнп) и сама конструкция может быть изготовлена из малоуглеродистой стали.

Полученные результаты подтверждены разработкой и внедрением конструкций из у^прк темпе-ра-тарв-х у 0 малоуглеродистых сталей, эксплуатирующихсяшиже минус 40 С, что приводит к существенной экономии природных ресурсов и практически выявляет резервы в несущей способности стальных строительных конструкций. Разработаны рекомендации по проектированию подобных конструкций.

— 345~—.

12. Сформулировано понятие о современной малоуглеродистой стали для металлических конструкций, как о стали, содержащей С < 0,22%, легирующие элементы, растворенные в феррите (Мп, 81, N1, Сг, Си) до ~ 1,5% (суммарно), а также микролегирующие элементы, образующие специальную нитридную или карбонитридную фазу (А/, Тл, реже V, №>, К) до 0,1% суммарно.

Показано, что малоуглеродистые стали могут поставляться в широком диапазоне прочностных характеристик (ст = 235.500 Н/мм), а также с широким диапазоном гарантий по ударной вязкости, в том числе с высокими гарантиями (КС1Г70 и КСУ40). Показано, что получение такого проката обеспечено применением в настоящее время в отечественной металлургии современных технологий глубокого раскисления, рафинирования металла по вредным примесям и облагораживания фазы неметаллических включений, термической обработки, измельчающих зерно, упрочняющей обработке в потоке станов и т. п. Применение малоуглеродистых сталей вместо марганцовистых увеличит экономическую эффективность и конкурентную способность стальных строительных конструкций, прежде всего из-за острой дефицитности марганца в границах России.

13. Установлено, что сосредоточенное относительное удлинение в шейке 5С является наиболее представительной характеристикой пластичности строительных сталей, особенно при оценке пластичности материала при отрицательных температурах. Разработана схема взаимодействия фазы неметаллических включений и металлической матрицы при различной чистоте материалов и различных механизмах упрочнения. Установлено, что повышая чистоту металла по вредным примесям и увеличивая степень гло-булированности неметаллических включений, можно повысить величину относительного сосредоточенного удлинения до уровня 8С = 15%, 65 > 25% при этом > 15%.

Определено, что величина, как мера сопротивления слоистым трещинам должна входить, как обязательная, в систему инженерных оценок строительных сталей повышенной и высокой прочности в толщинах не менее 20 мм.

14. Показано, что регламентированные СниП П-23−81* стали высокой прочности с стт > 390 Н/мм2 по своим рабочим свойствам недостаточны для применения в уникальных инженерных сооружениях, в первую очередь из больших толщин проката 16.40 мм. В этом случае необходимо использовать прокат с КС1Г70 > 34^/см2, КСУ" 40 > 34 обж/см2, Сэ < 0,46%, максимальная твердость в ЗТВ <320 НУ, Т2 > 15%, кроме того необходима повышенная чистота по вредным примесям и газам, а также мероприятия, направленные на облагораживание фазы неметаллических включений. Лишь в этом случае будет гарантирована надежная работа материала при изготовлении и дальнейшей эксплуатации сооружений. Справедливость этого положения была подтверждена при изготовлении уникальных конструкций Старого Гостиного Двора в г. Москве. Показано, что выпуск сталей высокой прочности нового поколения обеспечен действующими в отечественной металлургической промышленности технологиями.

15. Разработаны новые предложения для редакции СНиП 2.03.05 «Стальные конструкции. Нормы проектирования» по назначению проката в строительные стальные конструкции. В основу предложенной концепции положено применение выпускаемого современной металлургической промышленностью для широкого использования экономически эффективных сталей с пониженным содержанием дефицитного в России марганца и с более высоким комплексом рабочих свойств, чем стали, нормируемые СНиП 11−23−81*.

Si 7″ .

Практические рекомендации.

1. При техническом затруднении отбора проб и определении расчетного сопротивления Ry по результатам испытаний в случае старинных сталей его значение Л можно принять равным Ry = 1700 кгс/см .

2. Балки междуэтажных перекрытий в старых зданиях, рассчитанные по Урочному Положению по допускаемым напряжениям [а] < 10 кН/см2, как правило, имеют значения отношений высоты сечения к пролету, равные h// = 1/20 — 1/25, а относительные прогибы таких балок находятся в пределах ?11 = 1/400 — 1/800.

В принципе, такие балки могут быть сохранены даже с возможным увеличением нагрузки в 1,6 — 1,9 раза при обеспечении общей устойчивости, в том числе и за счет соответствующего закрепления сжатого пояса.

3. В балках, принятых на основе конструктивных ограничений высот сечений h// < 1/30 — 1/35, значения напряжений изменяются обычно в пределах, а = 13 -25 кН/см — однако в отдельных случаях при h// = 1/45 — 1/47 условные напряжения (а = M/W) могут достигать весьма больших значений — до 50 кН/см2.Относительные прогибы таких «пониженных» балок изменяются в пределах Ш = 1/100 — 1/200. Однако, компенсация повышенной деформативности балок имело место благодаря строительному подъему в виде применявшегося ранее обратного выгиба Ш= 1/200. Л.

При напряжениях порядка, а < 13 — 16 кН/см «пониженные» балки с пролетом до 6 м в большинстве случаев могут быть сохранены без увеличения (или с уменьшением) нагрузки при обеспечении их общей устойчивости, однако в остальных случаях при о 16 — 18 кН/см и пролетах более 6 м «пониженные» балки при их сохранении, как правило, нуждаются в усилении, которое целесообразно выполнять с минимальным применением сварочных работ.

4. При необходимости проведения сварочных работ при реконструкции зданий старой постройки наиболее целесообразно применять конструктивные и другие швы малой длины, как правило, в зонах с небольшими растягивающими напряжениями, а также обращать внимание на выбор типа электродов и технологии сварки, способствующих удалению серы и фосфора из сварочной ванны, и принимать соответствующие меры контроля качества монтажных сварных соединений.

— 318.

При этом необходимо знать химический состав и микроструктуру стали. Пудлинговую сталь сваривать не следует ни в каком случае.

5. В ответственных конструкциях, тем более уникальных, при проектировании могут учитываться и реально действовать 4−5 сильных факторов охрупчивания. В этом случае температура вязко-хрупкого перехода может сместиться в сторону ^ > Т1кр и необходимо применять специальные хладостойкие стали, у которых, например, есть гарантии по КС1Г70 или КСУ" 40.

6. В случае исследований малоуглеродистых сталей обычной прочности достаточно полные представления о хладостойкости проката можно получить, испытывая материал на ударный изгиб на двух типах образцов — с и или Vобразным надрезом, о свариваемости этих сталей можно судить, оценивая сопротивление горячим трещинам.

Для сталей повышенной и особенно высокой прочности с ат > 390 Н/мм2, всегда имеющим дисперсную структуру, эти испытания необходимо дополнить оценками, полученными на образцах больших толщин методами механики разрушения, а также оценить хрупкую прочность сварных соединений и сопротивление холодным и слоистым трещинам.

7. Конструкции опор ВЛ и ОРУ, выполненные из уголкового проката малоуглеродистых сталей небольших толщин (отсутствие масштабного фактора), могут успешно эксплуатироваться при низких температурах даже при наличии двухосного растяжения и концентраторов в виде отверстий, т. е. при наличии не более трех сильных факторов охрупчивания. При этом в растянутых поясных уголках опор ВЛ и ОРУ в местах прикрепления к ним растянутых раскосов на отдельных болтах расстояние от центра болтового отверстия до края поясного уголка следует принимать не менее 1,35 (1 ((1 — диаметр отверстия), в противном случае условия разрушения будут находится в области Тнп.

8. Применение специальных конструктивно-технологических мероприятий дает возможность расширения области применения малоуглеродистых сталей с обычной хладостойкостью для изгибаемых элементов строительных металлических конструкций при эксплуатации ниже минус 40 °C. При этом обеспечивается повышенная хладостойкость конструкции в целом, не снижается несущая способность и, кроме того, обеспечивается существенная экономия природных ресурсов.