С ростом требований к эффективности и экономичности строительства совершенствуются и характеристики сталей, включая их прочность. Однако важно понимать, что использование сталей повышенной прочности не всегда оправдано — в ряде случаев это ведёт к излишним затратам и нецелесообразному расходованию ресурсов. На примере стали С390 в этой статье мы разберем, как добиться максимального эффекта от повышения класса прочности стали.
Для каких целей применяют сталь С390
Двутавровый прокат БАЛМАКС 390 по ГОСТ 35087-2024 обладает повышенными прочностными характеристиками: максимальное увеличение расчётного сопротивления стали достигает 12% в сравнении со сталью С355 (рисунок 1).
Рисунок 1 — Зависимость расчетного сопротивления от толщины проката (СП 16.13330.2017)
Повышение класса прочности стали позволяет решить ряд задач:
- подобрать доступный профиль меньшего сечения, если нужный типоразмер отсутствует в сортаменте;
70Ш6 С355не производимый
→ 70Ш5 С390производимый - уложиться в ограничения по габаритам конструкции, если профили из С355 в данных габаритах не обеспечивают требуемую несущую способность;
25К1 С355249×246 мм
→ 20К2 С390200×200 мм - унифицировать сечения и проектные решения;
35К1 С35535К2 С355
→ 35К1 С390 - снизить металлоемкость и стоимость конструкций.
- N — сжимающее усилие в элементе;
- \varphi — коэффициент устойчивости;
- R_y — расчетное сопротивление стали;
- A — площадь поперечного сечения элемента;
- y_c — коэффициент условий работы.
- \lambda — гибкость элемента;
- \lambda_{\text{усл}} — условная гибкость элемента;
- \alpha; \beta — коэффициенты типов сечения (таблица 7 СП 16.13330.2017).
Критерии для определения области рационального использования стали С390
Рисунок 2 — Оценка влияния применения стали С390
Оптимальное использование стали С390 наблюдается в случаях, когда критическим фактором является прочность элемента. В то же время, если критическим фактором становится проверка по 2 группе предельных состояний (прогибу, крену или предельной гибкости), то применение стали с более высоким классом прочности не даёт никакого эффекта. Это связано с тем, что данные параметры не зависят от прочности стали (расчетное сопротивление не учитывается в формулах проверки).
При подборе элемента по условию устойчивости (формула 1) в соответствии с п. 7.1.3 СП 16.13330.2017 использование стали С390 не всегда оправдано, так как коэффициент устойчивости \varphi снижается с увеличением расчетного сопротивления стали, а также зависит от гибкости элемента (формулы 2-6).
\frac{N}{\varphi \cdot R_y \cdot A \cdot \gamma_c} \leq 1 \qquad \tag{1}
\varphi = \frac{0,5(\delta - \sqrt{\delta^2 - 39,48 \lambda_{\text{усл}}})}{\lambda_{\text{усл}}^2} \quad (\text{при } \lambda_{\text{усл}} \geq 0,6) \qquad \tag{2}
Соответствующая формулам 2-6 зависимость коэффициента \varphi от гибкости элемента при различных расчетных сопротивлениях стали представлена на рисунке.
Рисунок 3 — Зависимость коэффициента устойчивости \varphi от гибкости элемента при различных расчетных сопротивлениях стали
Рассмотрим сравнение несущей способности по устойчивости сжатого элемента из сталей С355 и С390. В данном случае несущая способность элемента определяется произведением \varphi \cdot R_y, так как площадь поперечного сечения и коэффициент условий работы одинаковы для обеих ситуаций. По графику видно, что в диапазоне гибкостей от 0 до 110 значение \varphi \cdot R_y выше для стали С390.
Рисунок 4 — Зависимость \varphi \cdot R_y от гибкости элемента при различных расчетных сопротивлениях стали
Разница несущей способности по устойчивости сравниваемых сталей показана на рисунке 5. Можно заметить, что дельта уменьшается с увеличением гибкости элемента, а для гибкостей выше 110 несущая способность сталей не отличается. Это подтверждает тезис о том, что применение высокопрочных сталей для элементов с большой гибкостью является экономически нецелесообразным (п. 8.2.7 СП 294.1325800.2017).
Рисунок 5 — Увеличение несущей способности по устойчивости при замене стали С355 на С390 в зависимости от гибкости элемента
Согласно п. 7.4.2.2 СП 294.1325800.2017 рациональная область применения стали повышенной и высокой прочности определяется при \lambda_{\text{усл}} \leq 3,9, что соответствует жёлтой области на графике.
При этом в соответствии с п. 7.4.2.2 СП 294.1325800.2017 применение стали повышенной и высокой прочности экономически эффективно (наблюдается не только снижение массы, но и стоимости конструкции) при выполнении условия \lambda_{\text{усл}} \leq 3,9 (зелёная область на графике).
Рисунок 6 — Увеличение несущей способности по устойчивости при замене стали С355 на С390 в зависимости от условной гибкости элемента
Применение стали С390
Поскольку использование высокопрочной стали наиболее эффективно при низких гибкостях, для наибольшего снижения металлоемкости с применением стали С390 следует принимать конструктивные решения, направленные на сокращение расчетных длин, что, в свою очередь, приведет к уменьшению гибкости элементов.
Для проверки данного утверждения рассмотрим верхний пояс фермы пролетом 30 метров при различных раскреплениях.
Рисунок 7 — Расчетная схема фермы
По результатам подбора сечения верхнего пояса с наименьшей массой погонного метра (таблица матрица решений для верхнего пояса) можно убедиться, что уменьшение шага раскрепления верхнего пояса способствует достижению целевых показателей условной гибкости, при которых использование стали С390 приводит к сокращению массы.
Однако следует помнить, что в некоторых случаях значительное снижение коэффициента использования элемента не приводит к уменьшению его массы. Это связано с дискретностью сортамента двутаврового проката — соседние профили могут существенно отличаться по своим характеристикам.
Матрица решений для верхнего пояса
| Усилие в поясе, кН | Шаг раскрепления верхнего пояса в плоскости наименьшей жесткости, м Тип нагрузки | Сталь | Профиль |
\lambda_{\text{усл}}
|
КИ | Критический фактор проверки | Погонная масса сечения, кг | Сокращение массы элемента при применении стали С390 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ≈ −550кН | 6 (сосредоточенная, прогонная кровля) | С355 | 20К1 | 5.0 | 100 | Устойчивость из плоскости действия момента | 41.4 | 0% |
| С390 | 20К1 | 5.2 | 100 | 41.4 | ||||
| 3 (сосредоточенная, прогонная кровля) | С355 | 15К2 | 3.4 | 86 | Устойчивость из плоскости действия момента | 31.5 | 15% | |
| С390 | 15К1 | 3.5 | 95 | 26.8 | ||||
| постоянное раскрепление жестким настилом (распределенная, беспрогонная кровля) | С355 | 20Б1 | 0 | 90 | Местная устойчивость стенки | 21.3 | 12% | |
| С390 | 18Б2 | 0 | 82 | 18.8 |
Более детальную информацию о рациональном подборе поясов из двутавра можно найти в статье «Выбор типа двутавра для поясов стропильных ферм». Дополнительные примеры применения стали С390 для различных конструктивных элементов представлены в таблице.
Примеры использования стали С390 в различных элементах конструкций
| Тип элемента | Пример использования стали С390 |
|---|---|
| Верхний пояс фермы с постоянным раскреплением | Система для кровель с уклоном 5% |
| Выбор типа двутавра для поясов стропильных ферм | |
| Нижний растянутый пояс фермы | Выбор типа двутавра для поясов стропильных ферм |
| Колонны многоэтажных зданий и этажерок | Здание промышленной этажерки |
| Сооружение промышленного предприятия | |
| Раскрепленные сильно нагруженные ригели рам | Перекрытия с перфорированным ригелем |
| Перекрытия со скрытым ригелем |
