Холоднокатаная сталь - Cold-formed steel
Холоднокатаная сталь ( CFS ) - это общий термин для стальных изделий, формованных с помощью процессов холодной обработки, выполняемых при температуре около комнатной, таких как прокатка , прессование , штамповка , гибка и т. Д. Пруток и листы из холоднокатаной стали ( CRS ) широко используются во всех сферах производства. Условия противопоставляются горячекатаной стали и горячекатаной стали .
Сталь, подвергнутая холодной штамповке, особенно в виде тонких листов, обычно используется в строительной отрасли для изготовления конструкционных и неструктурных элементов, таких как колонны, балки, балки, стойки, настил пола, сборные секции и другие компоненты. Такое использование становится все более популярным в США после их стандартизации в 1946 году.
Стальные холодногнутые элементы использовались также в мостах, стеллажах для хранения, зерновых бункерах , кузовах автомобилей, железнодорожных вагонах, изделиях для шоссе, опорах электропередач, опорах электропередач, дренажных сооружениях, огнестрельном оружии, различном оборудовании и т. Д. Эти типы профилей формуются холодным способом из стального листа, полосы, листа или плоского прутка на профилегибочных машинах с помощью листогибочного пресса ( машинного пресса ) или операций гибки. Толщина материала для таких тонкостенных стальных элементов обычно составляет от 0,0147 дюйма (0,373 мм) до примерно дюйма (6,35 мм). Стальные листы и прутки толщиной до 1 дюйма (25,4 мм) также могут быть успешно подвергнуты холодной штамповке в конструкционные формы (AISI, 2007b).
История
Использование холодногнутых стальных элементов в строительстве зданий началось в 1850-х годах как в Соединенных Штатах, так и в Великобритании. В 1920-х и 1930-х годах применение холодногнутой стали в качестве строительного материала все еще было ограниченным, поскольку в строительных нормах не было адекватных стандартов проектирования и ограниченной информации об использовании материалов. Одним из первых задокументированных случаев использования холодногнутой стали в качестве строительного материала является Баптистская больница Вирджинии, построенная примерно в 1925 году в Линчбурге, штат Вирджиния. Стены были несущими каменными кладками, но система перекрытий была обрамлена двойными стыковочными стальными каналами с выступами холодной штамповки. Согласно Chuck Greene, PE , из Нолена FRISA Associates, Балки были достаточными для выполнения начальных нагрузок и пролетов, на основе современных методов анализа. Грин спроектировал недавнюю реконструкцию конструкции и сказал, что по большей части балки все еще работают хорошо. Обследование участка во время этой реконструкции подтвердило, что «эти балки из« ревущих двадцатых »все еще выдерживают нагрузки более 80 лет спустя!» В 1940-х годах компания Lustron Homes построила и продала почти 2500 домов со стальным каркасом, каркас, отделка, шкафы и мебель которых были сделаны из стали холодной штамповки.
История стандартов проектирования AISI
Стандарты проектирования горячекатаной стали (см. Конструкционная сталь ) были приняты в 1930-х годах, но не применялись к холодногнутым профилям из-за их относительно тонких стальных стенок, подверженных короблению. Стальные элементы, полученные холодной штамповкой, имеют постоянную толщину по всему поперечному сечению, тогда как горячекатаные профили обычно имеют сужение или скругление. Сталь холодной штамповки допускала формы, которые сильно отличались от классических горячекатаных профилей. Материал легко обрабатывался; его можно было деформировать во множество возможных форм. Даже небольшое изменение геометрии привело к значительным изменениям прочностных характеристик сечения. Необходимо было установить некоторые минимальные требования и законы для контроля характеристик продольного изгиба и прочности. Также было замечено, что тонкие стенки подвергались локальному короблению под действием небольших нагрузок в некоторых секциях, и что эти элементы затем были способны выдерживать более высокие нагрузки даже после местного изгиба элементов.
В США первое издание Спецификаций для проектирования стальных конструкционных элементов легкой толщины было опубликовано Американским институтом чугуна и стали (AISI) в 1946 году (AISI, 1946). Первая спецификация допустимого напряжения (ASD) была основана на исследовательской работе, спонсируемой AISI в Корнельском университете под руководством покойного профессора Джорджа Винтера [2] с 1939 года. В результате этой работы Джордж Винтер теперь считается дедушкой конструкция из холодногнутой стали. Спецификация ASD впоследствии была пересмотрена в 1956, 1960, 1962, 1968, 1980 и 1986 годах, чтобы отразить технические разработки и результаты продолжающихся исследований в Корнельском и других университетах (Yu et al., 1996). В 1991 году AISI опубликовала первое издание Спецификации расчета факторов нагрузки и сопротивления, разработанной в Университете Миссури в Ролла и Вашингтонском университете под руководством Вэй-Вена Ю [3] и Теодора В. Галамбоса (AISI, 1991). Спецификации ASD и LRFD были объединены в единую спецификацию в 1996 году (AISI, 1996).
В 2001 году совместными усилиями Комитета по спецификациям AISI и Технического комитета Канадской ассоциации стандартов (CSA) по элементам конструкций из холоднокатаной стали было разработано первое издание Североамериканских спецификаций для проектирования элементов конструкций из холодногнутой стали. и Камара Насьональ де ла Индустрия дель Йерро-и-дель-Асеро (КАНАКЕРО) в Мексике (AISI, 2001). Он включал методы ASD и LRFD для США и Мексики вместе с методом расчета предельных состояний (LSD) для Канады. Эта Североамериканская спецификация была аккредитована Американским национальным институтом стандартов ( ANSI ) в качестве стандарта ANSI, заменяющего спецификацию AISI 1996 года и стандарт CSA 1994 года. После успешного использования Североамериканской спецификации 2001 года в течение шести лет она была пересмотрена и расширена в 2007 году.
Эта обновленная спецификация включает новые и пересмотренные проектные положения с добавлением метода прямой прочности в Приложении 1 и анализа структурных систем второго порядка в Приложении 2.
В дополнение к спецификациям AISI Американский институт черной металлургии также опубликовал комментарии к различным редакциям спецификаций, руководств по проектированию, стандартов проектирования каркасов, различных руководств по проектированию и вспомогательных средств проектирования для использования стали холодной штамповки. Подробности см. На веб-сайте AISI [4] .
Международные нормы и стандарты
США, Мексика и Канада используют Североамериканские технические условия для проектирования элементов конструкций из холодногнутой стали, номер документа AISI S100-2007. Страны-члены Европейского Союза используют разделы 1-3 Еврокода 3 (EN 1993) для проектирования холодногнутых стальных элементов. Другие страны используют различные проектные спецификации, многие из которых основаны на AISI S-100, как это принято в строительных нормах и правилах, перечисленных ниже. Еще один список международных норм и стандартов по холодногнутой стали поддерживается (и может быть изменен с разрешения) на сайте Cold-Formed Steel Codes Around the World .
Африке
Строительные нормы и правила Эфиопии : EBCS-1 Основы проектирования и действия на конструкции EBCS-3 Проектирование стальных конструкций
Америка
Спецификация США : Североамериканские спецификации для проектирования элементов конструкций из холодногнутой стали, номер документа AISI S100-2007, опубликованный Американским институтом железа и стали в октябре 2007 года. Строительные нормы: IBC и / или NFPA могут применяться, но оба ссылка AISI S100.
Спецификация Канады : Североамериканская спецификация для проектирования элементов конструкций из холодногнутой стали, номер документа CAN / CSA S136-07, опубликованная Канадской ассоциацией стандартов, такая же, как AISI S100, за исключением крышки. Строительный кодекс: Национальный строительный кодекс Канады - это типовой кодекс, принятый с поправками отдельными провинциями и территориями. Федеральное правительство находится вне юрисдикции провинциальных / территориальных властей, но обычно подчиняется законодательным требованиям в пределах провинции / территории строительной площадки.
Спецификация для Бразилии : NBR 14762: 2001 Dimensionamento de estruturas de aço constituídas por perfis formados a frio - Procedure (Проектирование холодногнутой стали - Процедура, последнее обновление 2001 г.) и NBR 6355: 2003 Perfis estruturais de aço formados a frião - Padronizaço (Cold- гнутые стальные конструкционные профили, последнее обновление 2003 г.) Строительный кодекс: ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas (www.abnt.org.br)
Чили NCH 427 - приостановлено, потому что оно было написано в 1970-х годах. Стальные холодногнутые профили частично были основаны на AISI (США). Местный Институт Строительного кодекса INN указал в последних Кодексах для сейсмического проектирования, что проектировщики должны использовать последнее издание Спецификации AISI для холодногнутой стали и AISC для горячекатаной стали в их исходных версиях на английском языке до тех пор, пока не будет выпущена некоторая приведенная адаптация. здесь .
Аргентина CIRSOC 303 для легких стальных конструкций, в которые включена сталь холодной штамповки. Эта Спецификация, которой уже более 20 лет, заменяется новой, которая в целом будет адаптацией текущей спецификации AISI. Бывший CIRSOC 303 был адаптацией канадского кодекса того времени. В то время CIRSOC 303 был очень старым, теперь CIRSOC 301 совершил революцию, чтобы соответствовать американским нормам (дизайн LRFD). В ближайшее время оба кода будут согласованы также в обозначениях и терминологии.
Азия
Филиппинский национальный структурный кодекс Филиппин 2010 г., том 1, Здания, башни и другие вертикальные конструкции, глава 5, часть 3 Проектирование элементов конструкций из холодногнутой стали основано на AISI S100-2007.
Спецификация Индии : IS: 801, Индийский стандартный свод правил использования холодногнутых легких стальных конструкционных элементов в строительстве зданий общего назначения, Бюро индийских стандартов, Нью-Дели (1975). (в настоящее время пересматривается) Строительный кодекс: см. - модельный код Национальный строительный кодекс Индии
Спецификация Китая : Технический кодекс холодногнутых тонкостенных стальных конструкций Строительный кодекс: GB 50018-2002 (текущая версия)
Спецификация Японии : Руководство по проектированию легких стальных конструкций Строительный кодекс: Уведомление о техническом стандарте № 1641, касающееся легких стальных конструкций
Малайзия Малайзия использует британский стандарт BS5950, особенно BS5950: Часть 5; Также упоминается AS4600 (из Австралии).
Европа
Спецификация стран ЕС : EN 1993-1-3 (то же, что и Еврокод 3, часть 1-3), Проектирование стальных конструкций - холодногнутые тонкие элементы и листы. Каждая европейская страна получит свои собственные Национальные дополнительные документы (NAD).
Германия Спецификация: Немецкий комитет по стальным конструкциям (DASt), DASt-Guidelines 016: 1992: Расчет и проектирование конструкций с тонкостенными элементами холодной штамповки; В Строительных нормах Германии: EN 1993-1-3: 2006 (Еврокод 3, часть 1-3): Проектирование стальных конструкций - Общие правила - Дополнительные правила для холодногнутых элементов и листов; Немецкая версия prEN 1090 2: 2005 (prEN 1090 часть 2; проект): Изготовление стальных и алюминиевых конструкций - Технические требования к исполнению стальных конструкций; Немецкая версия EN 10162: 2003: Профили стальные холоднокатаные - Технические условия поставки - Допуски на размеры и поперечное сечение; Немецкая версия
Спецификация Италии : UNI CNR 10022 (национальный документ) EN 1993-1-3 (не обязательно)
Еврокод Соединенного Королевства для холодногнутой стали в Великобритании. BS EN 1993-1-3: 2006: Еврокод 3. Проектирование стальных конструкций. Основные правила.
Океания
Спецификация для Австралии : AS / NZS 4600 AS / NZS 4600: 2005 Аналогично NAS 2007, но включает высокопрочные стали, такие как G550, для всех секций. (Грег Хэнкок) Строительный кодекс: Строительный кодекс Австралии (национальный документ) называет AS / NZS 4600: 2005.
Спецификация Новой Зеландии : AS / NZS 4600 (такая же, как в Австралии)
Общие профили разделов и приложения
В строительстве используются в основном два типа конструкционной стали: горячекатаный стальной профиль и стальной холодногнутый профиль. Горячекатаные стальные профили формуются при повышенных температурах, а холоднокатаные стальные профили формуются при комнатной температуре. Стальные конструкционные элементы, полученные холодной штамповкой, представляют собой профили, обычно изготавливаемые из стального листа, листового металла или полосового материала. Производственный процесс включает в себя формование материала прессованием или холодной прокаткой для достижения желаемой формы.
Когда сталь формуют пресс-тормозом или холодной прокаткой, происходит изменение механических свойств материала в результате холодной обработки металла. Когда стальной профиль формуют в холодном состоянии из плоского листа или полосы, предел текучести и, в меньшей степени, предел прочности увеличиваются в результате этой холодной обработки, особенно в изгибах профиля.
Некоторые из основных свойств холодногнутой стали:
- Легкость в весе
- Высокая прочность и жесткость
- Легкость изготовления и серийного производства
- Быстрый и легкий монтаж и установка
- Существенное устранение задержек из-за погодных условий
- Более точная детализация
- Без усадки и ползучести при температуре окружающей среды
- Опалубка не требуется
- Защита от термитов и гниения
- Единое качество
- Экономия на транспортировке и погрузочно-разгрузочных работах
- Негорючесть
- Перерабатываемый материал
- Панели и настилы могут обеспечивать закрытые ячейки для трубопроводов.
Широкая классификация холодногнутых профилей, используемых в строительной отрасли, может быть представлена как отдельные элементы каркаса конструкции или панели и настилы.
Вот некоторые из популярных приложений и предпочтительных разделов:
- Кровельные и стеновые системы (промышленные, коммерческие и сельскохозяйственные здания)
- Стальные стеллажи для поддержки складских поддонов
- Конструктивные элементы для плоских и космических ферм
- Безрамные конструкции с напряженной обшивкой: гофрированные листы или листовые профили с усиленными краями используются для небольших конструкций с пролетом до 30 футов без внутреннего каркаса.
Профнастил CFS
КФС прогоны
CFS X-образная стеновая система
Стенное соединение шпильки / балки CFS
Спецификация AISI допускает использование стали в соответствии со следующими спецификациями ASTM, приведенными в таблице ниже:
| Обозначение стали | Обозначение ASTM | Продукт | Предел текучести Fy (тыс. Фунтов на кв. Дюйм) | Прочность на растяжение Fu (тыс. Фунтов на квадратный дюйм) | Fu / Fy | Минимальное удлинение (%) в 2-дюйм. Длина датчика |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Углеродистая конструкционная сталь | A36 | 36 | 58-80 | 1,61 | 23 | |
| A36 | 50 | 70 | 1.4 | 21 год | ||
| Конструкционная сталь высокопрочная низколегированная | A242 | 46 | 67 | 1,46 | 21 год | |
| Листы из углеродистой стали с низким и средним пределом прочности на разрыв | A283 | |||||
| А | 24 | 45-60 | 1,88 | 30 | ||
| B | 27 | 50–65 | 1,85 | 28 год | ||
| C | 30 | 55-75 | 1,83 | 25 | ||
| D | 33 | 60-80 | 1,82 | 23 | ||
| Трубы из углеродистой стали холодногнутые сварные и бесшовные круглые и фасонные | A500 | Круглые трубки | ||||
| А | 33 | 45 | 1,36 | 25 | ||
| B | 42 | 58 | 1,38 | 23 | ||
| C | 46 | 62 | 1,35 | 21 год | ||
| D | 36 | 58 | 1,61 | 23 | ||
| Форма трубки | ||||||
| А | 39 | 45 | 1,15 | 25 | ||
| B | 46 | 58 | 1,26 | 23 | ||
| C | 50 | 62 | 1,24 | 21 год | ||
| D | 36 | 58 | 1,61 | 23 | ||
| Сталь углеродисто-марганцовистая высокопрочная. | A529 Gr. 42 | 42 | 60-85 | 1,43 | 22 | |
| A529 Gr. 50 | 50 | 70–100 | 1,40 | 21 год | ||
| Листы и полосы из углеродистой стали горячекатаные конструкционного качества | A570 | |||||
| Gr. 30 | 30 | 49 | 1,63 | 21 год | ||
| Gr. 33 | 33 | 52 | 1,58 | 18 | ||
| Gr. 36 | 36 | 53 | 1,47 | 17 | ||
| Gr. 40 | 40 | 55 | 1,38 | 15 | ||
| Gr. 45 | 45 | 60 | 1,33 | 13 | ||
| Gr. 50 | 50 | 65 | 1,30 | 11 | ||
| Высокопрочные низколегированные колумбий-ванадиевые стали конструкционного качества. | A572 | |||||
| Gr. 42 | 42 | 60 | 1,43 | 24 | ||
| Gr. 50 | 50 | 65 | 1,30 | 21 год | ||
| Gr. 60 | 60 | 75 | 1,25 | 18 | ||
| Gr. 65 | 65 | 80 | 1,23 | 17 | ||
| Высокопрочная низколегированная конструкционная сталь с минимальным пределом текучести 50 тыс. Фунтов / кв. Дюйм | A588 | 50 | 70 | 1,40 | 21 год | |
| Горячекатаный и холоднокатаный высокопрочный лист и полоса из низколегированной стали с повышенной коррозионной стойкостью | A606 | Горячекатаный как прокат, отрезанный по длине | 50 | 70 | 1,40 | 22 |
| Горячекатаный в рулонах | 45 | 65 | 1,44 | 22 | ||
| Горячекатаный отожженный | 45 | 65 | 1,44 | 22 | ||
| Холоднокатаные | 45 | 65 | 1,44 | 22 | ||
| Горячекатаные и холоднокатаные листы и полосы из высокопрочной низколегированной колумбиевой и / или ванадиевой стали | A607 Класс I | |||||
| Гр.45 | 45 | 60 | 1,33 | Горячекатаный (23)
Холоднокатаный (22) |
||
| Гр.50 | 50 | 65 | 1,30 | Горячекатаный (20)
Холоднокатаный (20) |
||
| Гр.55 | 55 | 70 | 1,27 | Горячекатаный (18)
Холоднокатаный (18) |
||
| Гр.60 | 60 | 75 | 1,25 | Горячекатаный (16)
Холоднокатаный (16) |
||
| Гр.65 | 65 | 80 | 1,23 | Горячекатаный (14)
Холоднокатаный (15) |
||
| Гр.70 | 70 | 85 | 1,21 | Горячекатаный (12)
Холоднокатаный (14) |
||
| A607 Класс II | ||||||
| Гр.45 | 45 | 55 | 1,22 | Горячекатаный (23)
Холоднокатаный (22) |
||
| Гр.50 | 50 | 60 | 1,20 | Горячекатаный (20)
Холоднокатаный (20) |
||
| Гр.55 | 55 | 65 | 1.18 | Горячекатаный (18)
Холоднокатаный (18) |
||
| Гр.60 | 60 | 70 | 1.17 | Горячекатаный (16)
Холоднокатаный (16) |
||
| Гр.65 | 65 | 75 | 1,15 | Горячекатаный (14)
Холоднокатаный (15) |
||
| Гр.70 | 70 | 80 | 1.14 | Горячекатаный (12)
Холоднокатаный (14) |
||
| Лист холоднокатаный из углеродистой конструкционной стали | A611 | |||||
| А | 25 | 42 | 1,68 | 26 год | ||
| B | 30 | 45 | 1,50 | 24 | ||
| C | 33 | 48 | 1,45 | 22 | ||
| D | 40 | 52 | 1,30 | 20 | ||
| Стальной лист с цинковым или железо-цинковым покрытием | A653 SS | |||||
| Gr. 33 | 33 | 45 | 1,36 | 20 | ||
| Gr. 37 | 37 | 52 | 1,41 | 18 | ||
| Gr. 40 | 40 | 55 | 1,38 | 16 | ||
| 50 Класс 1 | 50 | 65 | 1,30 | 12 | ||
| 50 Класс 3 | 50 | 70 | 1,40 | 12 | ||
| HSLAS Тип A | ||||||
| 50 | 50 | 60 | 1,20 | 20 | ||
| 60 | 60 | 70 | 1.17 | 16 | ||
| 70 | 70 | 80 | 1.14 | 12 | ||
| 80 | 80 | 90 | 1.13 | 10 | ||
| HSLAS Тип B | ||||||
| 50 | 50 | 60 | 1,20 | 22 | ||
| 60 | 60 | 70 | 1.17 | 18 | ||
| 70 | 70 | 80 | 1.14 | 14 | ||
| 80 | 80 | 90 | 1.13 | 12 | ||
| Горячекатаные и холоднокатаные высокопрочные листы и полосы из низколегированной стали с улучшенной формуемостью | A715 | |||||
| Gr. 50 | 50 | 60 | 1,20 | 22 | ||
| Gr. 60 | 60 | 70 | 1.17 | 18 | ||
| Gr. 70 | 70 | 80 | 1.14 | 14 | ||
| Gr. 80 | 80 | 90 | 1.13 | 12 | ||
| Стальной лист с 55% покрытием из алюминиево-цинкового сплава методом горячего погружения | A792 | |||||
| Gr. 33 | 33 | 45 | 1,36 | 20 | ||
| Gr. 37 | 37 | 52 | 1,41 | 18 | ||
| Gr. 40 | 40 | 55 | 1,38 | 16 | ||
| Gr. 50А | 50 | 65 | 1,30 | 12 | ||
| Холодногнутые сварные и бесшовные высокопрочные низколегированные конструкционные трубы с повышенной стойкостью к атмосферной коррозии | A847 | 50 | 70 | 1,40 | 19 | |
| Стальной лист с покрытием из цинкового 5% алюминиевого сплава методом горячего погружения | A875 SS | |||||
| Gr. 33 | 33 | 45 | 1,36 | 20 | ||
| Gr. 37 | 37 | 52 | 1,41 | 18 | ||
| Gr. 40 | 40 | 55 | 1,38 | 16 | ||
| 50 Класс 1 | 50 | 65 | 1,30 | 12 | ||
| 50 Класс 3 | 50 | 70 | 1,40 | 12 | ||
| HSLAS Тип A | ||||||
| 50 | 50 | 60 | 1,20 | 20 | ||
| 60 | 60 | 70 | 1.17 | 16 | ||
| 70 | 70 | 80 | 1.14 | 12 | ||
| 80 | 80 | 90 | 1.13 | 10 | ||
| HSLAS Тип B | ||||||
| 50 | 50 | 60 | 1,20 | 22 | ||
| 60 | 60 | 70 | 1.17 | 18 | ||
| 70 | 70 | 80 | 1.14 | 14 | ||
| 80 | 80 | 90 | 1.13 | 12 |
Типичные деформационно-механические свойства
Основным свойством стали, которое используется для описания ее поведения, является график «напряжение – деформация». Графики деформации холодногнутого стального листа в основном делятся на две категории. Они имеют резкую и постепенную податливость, показанные ниже на Рис.1 и Рис.2, соответственно.
Эти две кривые "напряжение-деформация" типичны для холодногнутого стального листа во время испытания на растяжение. Второй график представляет собой стальной лист, который подвергся холодному обжатию (жесткой прокатке) во время производственного процесса, поэтому он не показывает предел текучести с плато текучести. Первоначальный наклон кривой может быть уменьшен в результате предварительных работ. В отличие от рисунка 1, зависимость напряжения от деформации на рисунке 2 представляет поведение отожженного стального листа. Для этого типа стали предел текучести определяется уровнем, на котором кривая напряжения-деформации становится горизонтальной.
Холодная штамповка приводит к увеличению предела текучести стали, причем это увеличение является следствием холодной обработки в диапазоне деформационного упрочнения. Это увеличение наблюдается в зонах деформации материала при изгибе или работе. Можно предположить, что предел текучести был увеличен на 15% или более для расчетных целей. Предел текучести холодногнутой стали обычно составляет от 33 до 80 фунтов на квадратный дюйм. Измеренные значения модуля упругости, основанные на стандартных методах, обычно находятся в диапазоне от 29 000 до 30 000 фунтов на квадратный дюйм (от 200 до 207 ГПа) . Значение 29 500 тысяч фунтов на квадратный дюйм (203 ГПа) рекомендовано AISI в своих технических характеристиках для целей проектирования. Предел прочности при растяжении стальных листов в секциях имеет мало прямого отношения к конструкции этих элементов. Несущая способность холоднокатаных стальных элементов на изгиб и сжатие обычно ограничивается пределом текучести или напряжениями продольного изгиба, которые меньше, чем предел текучести стали, особенно для тех элементов сжатия, которые имеют относительно большие отношения плоской ширины, и для элементов сжатия, имеющих относительно большие коэффициенты гибкости. Исключение составляют болтовые и сварные соединения, прочность которых зависит не только от предела текучести, но и от предела прочности материала на разрыв. Исследования показывают, что эффекты холодной обработки формованных стальных элементов в значительной степени зависят от разницы между пределом прочности на растяжение и пределом текучести исходного материала.
Критерии пластичности
Пластичность определяется как «степень, в которой материал может выдерживать пластическую деформацию без разрушения». Это не только требуется в процессе формования, но также необходимо для пластического перераспределения напряжений в элементах и соединениях, где может происходить концентрация напряжений. Критерии пластичности и характеристики низкопластичных сталей для холодногнутых элементов и соединений изучались Дхаллой , Винтером и Эррерой в Корнельском университете . Было обнаружено, что измерение пластичности в стандартном испытании на растяжение включает локальную пластичность и однородную пластичность. Локальная пластичность определяется как локальное удлинение в зоне возможного разрушения. Равномерное Пластичность является способностью натяжного купона проходить значительные пластические деформации по всей его длине до утонения. Это исследование также показало, что для исследуемых сталей с различной пластичностью удлинение в 2 дюйма. (50,8 мм) измерительная длина не коррелировала удовлетворительно ни с локальной, ни с равномерной пластичностью материала. Чтобы иметь возможность перераспределять напряжения в пластическом диапазоне, чтобы избежать преждевременного хрупкого разрушения и достичь полной прочности сечения сетки в растянутом элементе с концентрациями напряжений, предлагается следующее:
- Минимальное местное удлинение на калибровочной длине - 1/2 дюйма (12,7 мм) стандартного купона на растяжение, включая шейку, должно составлять не менее 20%.
- Минимальное равномерное удлинение в 3-дюйм. (76,2 мм) измерительная длина минус удлинение в 1 дюйм. (25,4 мм) измерительная длина, содержащая шейку и излом, должна составлять не менее 3%.
- Отношение прочности на разрыв к пределу текучести Fu / Fy должно быть не менее 1,05.
Свариваемость
Свариваемость означает способность стали свариваться в удовлетворительное, без трещин, прочное соединение в условиях изготовления без каких-либо затруднений. Сварка возможна в стальных элементах холодногнутых, но она должна соответствовать стандартам , приведенным в AISI S100-2007, раздел Е .
1. Если толщина меньше или равна 3/16 дюйма (4,76 мм):
Возможны следующие варианты сварных швов в стальных профилях, подвергнутых холодной штамповке, где толщина самого тонкого элемента соединения составляет 3/16 дюйма или меньше.
- Стыковые сварные швы в стыковых соединениях
- Дуговая точечная сварка
- Дуговые швы
- Угловые швы
- Сварные швы с развальцовкой и канавкой
2. Если толщина больше или равна 3/16 дюйма (4,76 мм):
Сварные соединения, в которых толщина самой тонкой соединенной дуги превышает 3/16 дюйма (4,76 мм), должны соответствовать ANSI / AISC-360 . Положения сварных швов указаны в соответствии с AISI S100-2007 (Таблица E2a).
Минимальная толщина материала, рекомендуемая для сварных соединений
| заявка | Магазин или на стройплощадке | Электродный метод | Рекомендуемая минимальная толщина CFS |
|---|---|---|---|
| CFS на конструкционную сталь | Изготовление на месте | Ручная сварка | От 54 до 68 мил |
| CFS на конструкционную сталь | Производство цехов | Ручная сварка | От 54 до 68 мил |
| CFS в CFS | Изготовление на месте | Ручная сварка | От 54 до 68 мил |
| CFS в CFS | Изготовление на месте | Сварка MIG (металл в инертном газе) с подачей проволоки | От 43 до 54 мил |
| CFS в CFS | Производство цехов | Сварка MIG (металл в инертном газе) с подачей проволоки | 33 мил |
Применение в зданиях
Каркас из холодногнутой стали
Холодногнутый стальной каркас (CFSF) относится, в частности, к элементам легких каркасных строительных конструкций, которые полностью изготовлены из листовой стали и имеют различные формы при температуре окружающей среды. Наиболее распространенной формой для элементов CFSF является канал с выступом, хотя использовались буквы «Z», «C», трубчатые, «шляпки» и другие формы и вариации. Строительные элементы, которые чаще всего обрамляются холодногнутой сталью, - это полы, крыши и стены, хотя другие строительные элементы, а также конструктивные и декоративные узлы могут иметь стальной каркас.
Хотя холоднокатаная сталь используется для изготовления нескольких изделий в строительстве, каркасные изделия отличаются тем, что обычно используются для изготовления стоек, балок перекрытий, стропил и элементов ферм. Примеры холодногнутой стали, которая не считается каркасом, включает металлическую крышу, настил крыши и пола, композитный настил, металлический сайдинг, а также прогоны и фермы на металлических зданиях.
Элементы каркаса обычно располагаются на расстоянии 16 или 24 дюймов по центру, с меньшими и большими интервалами в зависимости от нагрузок и покрытий. Стеновые элементы обычно представляют собой элементы «стойки» с вертикальными выступами, которые входят в секции «дорожки» без прорезей вверху и внизу. Подобные конфигурации используются как для балок перекрытий, так и для стропил, но в горизонтальном исполнении для полов и в горизонтальном или наклонном варианте для конструкции крыши. К дополнительным элементам каркасной системы относятся крепежи и соединители, раскосы и связи, зажимы и соединители.
В Северной Америке типы участников были разделены на пять основных категорий, и номенклатура продуктов основана на этих категориях.
- S-образные элементы представляют собой швеллеры с выступами, которые чаще всего используются для стеновых стоек, балок перекрытий, а также стропил потолка или крыши.
- Т-образные элементы представляют собой каналы без проемов, которые используются для верхних и нижних пластин (направляющих) в стенах и балок обода в напольных системах. Дорожки также образуют верхнюю часть и подоконники окон и обычно закрывают верх и низ коллекторов, помещенных в прямоугольную рамку или соединенных спиной к спине.
- U-образные элементы представляют собой каналы без проушин, которые имеют меньшую глубину, чем направляющие, но используются для крепления элементов, а также для систем поддержки потолка.
- F-образные элементы представляют собой каналы «обшивки» или «шляпки», обычно используемые горизонтально на стенах или потолках.
- L-образные элементы представляют собой уголки, которые в некоторых случаях могут использоваться для коллекторов через проемы, чтобы распределять нагрузки на соседние стойки откоса.
В многоэтажном коммерческом и многоквартирном жилом строительстве CFSF обычно используется для внутренних перегородок и поддержки наружных стен и облицовки. Во многих средне и малоэтажных зданиях вся структурная система может быть обрамлена CFSF.
Здания из холоднокатаной стали производятся из предварительно оцинкованной рулонной стали. Это означает получение всех компонентов холоднокатаной рамы и гальваническое покрытие без необходимости дополнительного покрытия или покраски.
Соединители и крепеж в обрамлении
Соединители используются в стальных конструкциях, изготовленных методом холодной штамповки, для крепления элементов (например, шпилек , балок ) друг к другу или к основной конструкции с целью передачи нагрузки и поддержки. Поскольку прочность сборки зависит от ее самого слабого компонента, важно спроектировать каждое соединение таким образом, чтобы оно отвечало указанным требованиям к производительности. Существует два основных типа соединения: фиксированное и с возможностью перемещения (скольжение). Неподвижные соединения элементов каркаса не допускают перемещения соединяемых частей. Их можно найти в стенах, несущих осевые нагрузки, ненесущих стенах, фермах, крышах и полах. Соединения, допускающие движение, предназначены для обеспечения возможности отклонения основной конструкции в вертикальном направлении из-за временной нагрузки или в горизонтальном направлении из-за ветра или сейсмических нагрузок, или как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях. Одним из применений соединения, допускающего вертикальное перемещение, является изоляция неосевых несущих стен (гипсокартон) от вертикальной временной нагрузки конструкции и предотвращения повреждения отделки. Обычным зажимом для этого применения является L-образный зажим для верхней части стены для стен, которые заполняются между этажами. Эти зажимы имеют прорези, перпендикулярные изгибу зажима. Другой распространенный зажим - это байпасный зажим для стен, которые выходят за край конструкции пола. Когда эти зажимы имеют L-образную форму, они имеют прорези, параллельные изгибу зажима. Если конструкция находится в активной сейсмической зоне , можно использовать соединения, допускающие вертикальное и горизонтальное перемещение, для компенсации как вертикального, так и горизонтального отклонения конструкции.
Соединители могут быть прикреплены к стальным элементам, подвергнутым холодной штамповке, и основной конструкции с помощью сварных швов, болтов или саморезов. Эти методы крепления признаны в Североамериканских спецификациях Американского института чугуна и стали (AISI) 2007 г. для проектирования элементов конструкций из холодногнутой стали, глава E. , клеевые анкеры и конструкционный клей, используются на основании испытаний, проведенных производителем.
Сравнение горячекатаной и холоднокатаной стали и влияние отжига
| Горячекатаный | Холоднокатаные | ||
|---|---|---|---|
| Свойства материала | Податливая сила | Материал не деформируется; в материале отсутствует начальная деформация, следовательно, текучесть начинается с фактического значения текучести исходного материала. | Величина текучести увеличивается на 15–30% за счет предварительной обработки (начальной деформации). |
| Модуль упругости | 29 000 тысяч фунтов / кв. Дюйм | 29 500 тысяч фунтов / кв. Дюйм | |
| Единица измерения | Вес агрегата сравнительно огромен. | Он намного меньше. | |
| Пластичность | Более пластичный по своей природе. | Менее пластичный. | |
| Дизайн | В большинстве случаев мы рассматриваем только глобальный изгиб стержня. | Необходимо учитывать местное продольное изгибание, деформационное изгибание и глобальное изгибание. | |
| Основные виды использования | Несущие конструкции, как правило, тяжелые несущие конструкции, в которых более важна пластичность (пример сейсмоопасных зон) | Применение во многих случаях загрузки. Сюда входят строительные рамы, автомобили, самолеты, бытовая техника и т. Д. Использование ограничено в случаях, когда требуются высокие требования к пластичности. | |
| Гибкость форм | Соблюдаются стандартные формы. Высокое значение удельного веса ограничивает гибкость изготовления самых разнообразных форм. | Из листов можно вылепить любую желаемую форму. Небольшой вес расширяет возможности использования. | |
| Экономика | Высокий вес устройства увеличивает общие затраты на материалы, подъем, транспортировку и т. Д. С ним трудно работать (например, с подключением). | Небольшой вес устройства сравнительно снижает стоимость. Легкость конструкции (например, подключение). | |
| Возможности исследования | В настоящее время на продвинутой стадии. | Больше возможностей, поскольку концепция относительно нова, а материал находит широкое применение. |
Отжиг , также описанный в предыдущем разделе, является частью процесса производства холодногнутого стального листа. Это метод термообработки , который изменяет микроструктуру стали холодного восстановления для восстановления ее пластичности .
Альтернативные методы проектирования
Метод прямой прочности (DSM) - это альтернативный метод расчета, приведенный в Приложении 1 к Североамериканским спецификациям для проектирования элементов конструкций из холодногнутой стали 2007 г. (AISI S100-07). DSM может использоваться вместо основной спецификации для определения номинальной численности участников. Конкретные преимущества включают отсутствие эффективной ширины и итераций при использовании только известных свойств общего сечения. Повышение достоверности прогнозов связано с принудительной совместимостью между полками сечения и стенкой в ходе анализа упругого продольного изгиба. Это повышение точности прогноза для любой геометрии сечения обеспечивает прочную основу для расширения рационального анализа и способствует оптимизации сечения. Либо DSM, либо основная спецификация могут использоваться с уверенностью, поскольку коэффициенты Φ или Ω были разработаны для обеспечения точности обоих методов. В настоящее время DSM предоставляет решения только для балок и колонн и должен использоваться вместе с основной спецификацией для полного проекта.
Рациональный анализ разрешен при использовании оптимизированных форм холодной штамповки, которые выходят за рамки основной спецификации и не прошли предварительную квалификацию для использования в DSM. В этих неквалифицированных разделах используются коэффициенты безопасности ϕ и Ω, связанные с рациональным анализом (см. AISI 2001, раздел A1.1 (b)). Результат рационального анализа, умноженный на соответствующий коэффициент безопасности, будет использоваться в качестве расчетной прочности секции.
Могут существовать несколько ситуаций, когда можно использовать приложение DSM для рационального анализа. Как правило, они включают: (1) определение значений упругого продольного изгиба и (2) использование уравнений DSM в Приложении 1 для определения номинальных нагрузок на изгиб и осевую нагрузку, Mn и Pn. Предпосылка DSM сама по себе является примером рационального анализа. Он использует результаты упругого изгиба для определения предельной прочности с помощью эмпирических кривых прочности. Это дает дизайнерам метод для проведения рационального анализа в ряде уникальных ситуаций.
В некоторых случаях расширение рационального анализа для DSM может быть столь же простым, как рассмотрение наблюдаемого режима продольного изгиба, который трудно идентифицировать, и вынесение суждения о том, как классифицировать режим. Но его также можно использовать, чтобы позволить инженеру учесть эффекты градиентов момента, влияние различных конечных условий или влияние деформации при кручении на все режимы продольного изгиба.
В настоящее время в DSM нет положений, относящихся к сдвигу, повреждению стенки, появлению отверстий в элементах или увеличению прочности из-за холодной формовки. Исследования по некоторым из этих тем были завершены или находятся в процессе завершения и должны быть включены в следующее обновление Спецификации AISI. DSM также ограничен в определении прочности секций, в которых используются очень тонкие элементы. Это связано с тем, что прочность поперечного сечения в целом прогнозируется с помощью DSM вместо использования метода эффективной ширины спецификации, который разбивает поперечное сечение на несколько эффективных элементов. Один тонкий элемент вызовет низкую прочность DSM, чего нельзя сказать о текущем методе спецификации. Метод конечных полос с использованием CUFSM является наиболее часто используемым подходом для определения упругих нагрузок продольного изгиба. Программа также ограничивает DSM, потому что отверстия не могут быть учтены, нагрузки должны быть одинаковыми вдоль элемента, учитываются только просто поддерживаемые граничные условия, а формы потери устойчивости взаимодействуют и в некоторых случаях не могут быть легко различимы.
использованная литература
внешние ссылки
Организации
- Американский институт чугуна и стали (AISI) [5]
- Ассоциация производителей металлоконструкций (SFIA) [6]
- Steel Framing Alliance (SFA) [7]
- Ассоциация производителей стальных шпилек (SSMA) [8]
- Институт инженеров холодногнутого проката (CFSEI) [9]
- Совет по исследованиям структурной стабильности (SSRC) [10]
- Ассоциация производителей металлических конструкций (MBMA) [11]
- Институт стальных балок (SJI) [12]
- Институт стальных настилов (SDI) [13]
- Институт рециклинга стали [14]
Другие ссылки по теме можно найти на следующих страницах: