Оценка материала конструкций и соединений
Оценку качества стали эксплуатируемых конструкций следует производить по рабочим чертежам и сертификатам на металл, электроды, сварочную проволоку, метизы, а также по ТНПА, действовавшим в период возведения объекта.
Для оценки качества стали необходимо установить следующие характеристики:
- марку стали или ее аналог в соответствии с действующими ТНПА на поставку металла;
- прочностные характеристики: предел текучести, временное сопротивление (предел прочности);
- пластичность: относительное удлинение и относительное сужение;
- склонность к хрупкому разрушению: величину ударной вязкости при различных температурах и после механического старения;
- свариваемость в необходимых случаях.
Требуемый уровень свойств для каждой марки стали устанавливается в соответствии с действующими ТНПА на поставку стали.
Определение качества стали путем лабораторного исследования образцов, изготовленных из материала обследуемых конструкций, производится в следующих случаях:
1) при отсутствии исполнительной документации (чертежи марок КМ, КМД) или сертификатов;
2) при недостаточности содержащихся в исполнительной документации сведений;
3) при обнаружении в конструкциях повреждений и дефектов, которые могли быть вызваны низким качеством стали (расслой, хрупкие трещины);
4) при выявлении резервов несущей способности конструкций.
Для определения качества стали в лабораторных условиях проводятся следующие анализы и испытания образцов обследуемых конструкций:
1) химический анализ с выявлением содержания углерода, кремния, марганца, серы, фосфора и азота для углеродистой стали, для низколегированной стали дополнительно определяется содержание хрома, никеля, меди, а в необходимых случаях – ванадия, ниобия и молибдена;
2) испытание на растяжение с определением предела текучести, временного сопротивления разрыву, относительного удлинения и относительного сужения;
3) испытание на ударный изгиб с определением величины ударной вязкости для температур, соответствующих группе конструкций и климатическому району до и после механического старения.
Для конструкций 1 и 2 групп по СНиП II‑23, выполненных из кипящей стали толщиной более 12 мм и предназначенных для эксплуатации в условиях отрицательных температур, дополнительно следует определять:
- распределение сернистых включений способом отпечатки по Бауману;
- микроструктуру. При этом уточняются размеры зерен, фазовый состав, характеристики неметаллических включений металлургического происхождения. Могут быть выявлены дефекты расслоя, грубые шлаковые включения, обезуглероживание. В частности, может быть установлено, что металл претерпел пластические деформации или воздействие высоких температур (выше 7200 С), изменилось качество металла сварного шва и околошовной зоны. Определяется также степень повреждения стали межкристаллитной коррозией.
Углеродистая сталь
Степень раскисления стали определяется количеством материала раскислителя (кремния, алюминия, марганца, иногда кальция, титана), вводимого в жидкую сталь перед разливкой. Чем выше степень раскисления, тем сталь более однородна, меньше зерно, в ней меньше неметаллических включений, она лучше сваривается, лучше сопротивляется динамическим воздействиям и хрупкому разрушению. По степени раскисления углеродистую сталь подразделяют на кипящую (КП), полуспокойную (ПС) и спокойную (СП).
Кипящая сталь
Материал характеризуется низким содержанием кремния (не более 0,07%), высоким содержанием кислорода, повышенной склонностью к образованию крупнокристаллической структуры, часто с признаками структуры перегрева «видманштетта», а также с неметаллическими включениями в виде окиси, сульфидов марганца и силикатов, концентрирующихся в серединной поверхности поперечного сечения. Вследствие этого кипящие стали подвержены старению, имеют пониженные показатели прочности и сопротивляемости хрупкому разрушению, особенно при толщине проката более 20 мм.
Спокойная сталь
Материал характеризуется содержанием кремния от 0,15% до 0,3%, значительно большей однородностью по химическому составу, микроструктуре и механическим свойствам. Количество вредных примесей и неметаллических включений незначительно.
Полуспокойная сталь
Материал содержит кремний в пределах от 0,05% до 0,15%, по однородности приближается к спокойной стали, а по остальным характеристикам – к кипящей стали.
Низколегированные и высокопрочные стали
Данные материалы обычно раскисляются до спокойного состояния, и лишь некоторые марки низколегированной стали имеют полуспокойную модификацию.
Для производства строительных металлических конструкций применяют малоуглеродистые стали, так как они хорошо варятся и обладают высокими механическими характеристиками.
Легированные стали имеют содержание углерода менее 0,18%. Их механические свойства повышают путем введения легирующих компонентов (марганец, кремний, медь, никель, хром, молибден).
В строительстве чаще всего применяют низколегированные стали, в которых доля легирующих добавок составляет не более 2,5%.
Состояние поставки
Металлургические заводы поставляют сталь непосредственно после горячей прокатки (в горячекатаном состоянии) или после термической обработки проката. Существуют два вида термической обработки: нормализация и термическое улучшение (закалка и отпуск). Термообработка повышает механические свойства стали (прочность, хладостойкость).
Анализ качества металлических конструкций
Отбор образцов для механических испытаний и проб для проведения химического анализа производят из элементов конструкций, отдельно для каждой партии металла. Количество проб и образцов от каждой партии должно быть не менее числа, указанного в таблице 1.
К партии металла относятся элементы одного вида проката (по номерам профилей, толщинам и маркам стали), входящие в состав однотипных элементов конструкций (поясов ферм, решеток ферм) одной очереди строительства.
Партию металла должны составлять не более 50 однотипных отправочных марок, имеющих общую массу не более 60 т. Если отправочные марки представляют собой простые элементы из прокатных профилей (прогоны, балки, связи), к партии может быть отнесено до 250 шт.
Допускается не проводить испытания металла для конструкций, напряжения в которых не будут превышать 165 МПа (1 700 кг/см2) при следующих расчетных температурах:
- выше –300 C – для конструкций группы 3 по таблице 50 СНиП II‑23;
- выше –400 C – для конструкций группы 4;
- выше –650 C – для конструкций 3 и 4 групп при их усилении без применения сварки.
При этом конструкция должна находиться в эксплуатации не менее трех лет.
Отбор проб (стружки) для определения химического состава производится в соответствии с ГОСТ 7565.
Стружку для химического анализа отбирают путем сверления на всю толщину проката в средней трети по ширине элемента. Из каждого элемента стружка отбирается не менее чем в трех местах по длине и тщательно перемешивается. Масса готовой пробы должна быть не менее 50 г.
Перед отбором стружки поверхность должна быть тщательно очищена от окалины, краски, грязи, ржавчины, масла и влаги до металлического блеска. Отобранная стружка должна быть упакована и замаркирована. Стружка упаковывается в пакет, склеенный из плотной бумаги, при этом он должен быть маркирован несмываемой надписью и помещен в пластиковый мешочек.
Химический анализ углеродистой стали производится по ГОСТ 22536.1 – ГОСТ 22536.12, для легированной стали – по ГОСТ 12344, ГОСТ 12346, ГОСТ 12348, ГОСТ 12350, ГОСТ 12352, ГОСТ 12353, ГОСТ 12355, ГОСТ 12358, ГОСТ 12361.
Для механических испытаний образцов отбор заготовок производится в соответствии с ГОСТ 7564. В элементах конструкций из сортового и фасонного проката образцы ориентируются вдоль направления прокатки, из листового и широкополочного – поперек направления прокатки. В элементах из листовой стали, направление прокатки для которых не установлено, образцы ориентируют по направлению действия наибольших растягивающих напряжений.
Изготовление образцов и их испытание на растяжение
Материалы производятся в соответствии с ГОСТ 1497. При толщине прокатки до 25 мм включительно рекомендуются пропорциональные плоские образцы типа I и II – короткие. В случае если вырезка проб-заготовок плоских образцов необходимых размеров невозможна, а также в случае если прокат имеет толщину более 25 мм, производится изготовление и испытание пропорциональных цилиндрических образцов (гагаринских) типа II и III – коротких.
Изготовление образцов и их испытание на динамический изгиб
Материалы производятся при комнатной и отрицательной температурах, в соответствии с ГОСТ 9454. Долю волокна в изломе определяют по ГОСТ 4543. При этом используются образцы типа Менаже с U‑образным надрезом, типа I – из проката толщиной более 10 мм и типа 3 –из проката менее 10 мм, но не менее 5 мм.
Техническое состояние конструкций, в соответствии с 8.18 СНБ 1.04.01, может быть отнесено к следующей категории:
I – исправное (хорошее) состояние. Выполняются все требования действующих норм и государственных стандартов. Отсутствуют дефекты и повреждения, свидетельствующие о снижении несущей способности и эксплутационной пригодности конструкций. Малозначительные дефекты устраняются в процессе технического обслуживания;
II – неисправное (удовлетворительное) состояние. Отсутствуют дефекты и повреждения, свидетельствующие о снижении несущей способности, но имеются дефекты и повреждения, свидетельствующие о том, что не выполнены требования по предельным состояниям второй группы, нарушена антикоррозионная защита. Требуются мероприятия по восстановлению защиты и эксплуатационной пригодности конструкций. Дефекты и повреждения устраняются в процессе технического обслуживания и текущего ремонта;
III – ограниченно работоспособное (не вполне удовлетворительное) состояние. Имеются дефекты и повреждения, свидетельствующие о снижении несущей способности и эксплуатационной пригодности, но на момент обследования отсутствует опасность обрушения. Необходимо соблюдение всех эксплуатационных требований. Возможны ограничения на некоторые параметры эксплуатации. Требуется ремонт и усиление конструкций, а также восстановление их эксплуатационных свойств;
IV – неработоспособное (неудовлетворительное) состояние. Это существующее и прогнозируемое по расчету наступление одного из предельных состояний отдельных сечений и элементов. Напряжения от фактически действующих нормативных нагрузок могут достигать предела текучести стали, что не приводит к обрушению конструкций в целом, так как происходит перераспределение усилий. Однако в этих условиях, вследствие значительных деформаций, нарушаются эксплуатационные качества. Возможно также, что разрушение имеет заранее предсказуемый локальный характер, при этом требуется выполнение страховочных мероприятий и эксплуатация конструкций не допускается до их проведения, а в необходимых случаях – до выполнения усилений по временной или постоянной схеме. Требуется срочное ограничение нагрузок, проведение страховочных мероприятий, капитальный ремонт, усиление или замена элементов или конструкций;
V – предельное (предаварийное) состояние. Возможно наступление предельного состояния по прочности и устойчивости и обрушение конструкций. Требуется немедленное удаление людей из возможной зоны обрушения, разгрузка конструкций, их снос, устройство временных подпорок и последующая разборка и замена конструкций.
Конструкции, находящиеся в неработоспособном и предаварийном состоянии, должны быть усилены или заменены, при этом до выполнения работ по усилению конструкций должен быть выполнен комплекс мероприятий, обеспечивающий их ограниченно работоспособное состояние.
По материалам доклада А. Н. Жабинского, кандидата технических наук, заведующего кафедрой «Металлические и деревянные конструкции» БНТУ