Область рационального применения стали C390

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 С355 не производимый

  →

  70Ш5 С390 производимый

• уложиться в ограничения по габаритам конструкции, если профили из С355 в данных габаритах не обеспечивают требуемую несущую способность;

  25К1 С355 249×246 мм

  →

  20К2 С390 200×200 мм

• унифицировать сечения и проектные решения;

  35К1 С355 35К2 С355

  →

  35К1 С390

• снизить металлоемкость и стоимость конструкций.

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}

• N — сжимающее усилие в элементе;
• \varphi — коэффициент устойчивости;
• R_y — расчетное сопротивление стали;
• A — площадь поперечного сечения элемента;
• y_c — коэффициент условий работы.

\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}

\varphi = 1 \quad (\text{при } \lambda_{\text{усл}} \leq 0,6) \qquad \tag{3}
\varphi \leq \frac{7,6}{\lambda_{\text{усл}}^2} \quad (\text{при } \lambda_{\text{усл}} \geq 4,4) \qquad \tag{4}
\delta = 9,87 \left( 1 - \alpha + \beta \lambda_{\text{усл}} \right) + \lambda_{\text{усл}}^2 \qquad \tag{5}
\lambda_{\text{усл}} = \lambda \sqrt{\frac{R_y}{E}} \qquad \tag{6}
• \lambda — гибкость элемента;
• \lambda_{\text{усл}} — условная гибкость элемента;
• \alpha; \beta — коэффициенты типов сечения (таблица 7 СП 16.13330.2017).

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