Как выбрать марку стали для металлоконструкции по ДБН В.2.6-198:2014: группа конструкций, класс прочности, ударная вязкость

Шаг 1. Категории конструкции по назначению и напряжённому состоянию

По п. 5.3.5 каждый элемент относят к одной из трёх категорий по назначению:

• А: отказ может привести к полной непригодности сооружения или значительной его части к эксплуатации;
• Б: отказ осложняет нормальную эксплуатацию или ведёт к отказу других конструкций, не относящихся к категории А;
• В: отказ не нарушает работу других конструкций и их элементов.

Второй признак — категория по напряжённому состоянию, то есть по возможности достижения предельного состояния из-за усталости или хрупкого разрушения:

• I: предельное состояние возможно вследствие непосредственного воздействия динамической подвижной или вибрационной нагрузки;
• II: только при сочетании неблагоприятных факторов (динамическая или вибрационная нагрузка, концентраторы напряжений, зоны растяжения и т. п.);
• III: усталость или хрупкое разрушение невозможны из-за отсутствия неблагоприятных факторов.

Готовый перечень для типовых элементов даёт таблица А.1 приложения А. Фермы покрытий при статической нагрузке отнесены там к А II, колонны производственных зданий (основные элементы сечения) — к А III, опоры ВЛ — к А III, прогоны кровли — к Б II, ригели фахверка — к В III. Для элементов, которых в таблице нет, категории принимают по аналогии (примечание 2 к таблице А.1).

Шаг 2. Группа конструкций

Группа зависит от суммы баллов Stot = S1 + S2 + S3 + S4 + S5 по таблице А.2 (п. А.1):

Порог для каждой группы: группа 1 — при Stot > 26; группа 2 — 23 ≤ Stot ≤ 26; группа 3 — 19 ≤ Stot ≤ 22; группа 4 — Stot ≤ 18.

Влияние сварных соединений (S5) учитывают, если швы расположены в местах действия значительных расчётных растягивающих напряжений (σ > 0,3Ry или σ > 0,3Rwz) или если прочность шва определяет пригодность всей конструкции к эксплуатации. Приведена выдержка из таблиц ДБН для выбора; перед заказом металла сверяйте класс и группу с действующим текстом ДБН В.2.6-198:2014 и проектом.

Уточнение группы после подбора сечений

Когда сечения подобраны, группу пересматривают (п. А.2) и корректируют Stot не более чем на ±4 балла. Добавляют 1 балл при толщине проката свыше 20 до 40 мм, при кромках после гильотинной резки, при наклёпе от холодного деформирования или при высоких начальных (в том числе сварочных) напряжениях, не учтённых в расчёте. При толщине свыше 40 мм добавляют 2 балла.

Вычитают 4 балла, если нагрузка статическая, а напряжения сжатия не превышают 0,4·Ry·γc (скажем, когда гибкость ограничена конструктивными требованиями).

Шаг 3. Какие классы прочности допустимы для группы

Таблица Г.1 приложения Г для сталей из фасонного, сортового, листового и широкополосного проката и холодногнутых профилей знаком «+» отмечает классы, которые применять можно, и знаком «–» те, что нельзя. В сжатом виде это выглядит так:

Выдержка; класс и группу сверяйте с действующим текстом ДБН.

Примечания к таблице Г.1, которые чаще всего влияют на выбор

В группах 1 и 2 сталь С235 не допускается, кроме тонкого проката (примечание 3, ниже). В группе 4 она допускается без примечаний.

• С235 в группе 3 не применяют для неотапливаемых зданий и конструкций, эксплуатируемых на открытом воздухе, а также для опор ВЛ, открытых распределительных устройств (ОРУ) и контактных сетей транспорта (КСТ) — примечание а;
• С245 и С275 в группе 2 для неотапливаемых конструкций на открытом воздухе — только прокат толщиной до 10 мм (примечание б);
• прокат до 5 мм включительно из стали С235 допускается для конструкций всех групп, кроме опор ВЛ, ОРУ и КСТ, а прокат до 8 мм включительно из стали С245 — для 1-й группы (примечание 3);
• для проката толщиной до 3 мм требований к ударной вязкости нет (примечание 2);
• к сортовому прокату (круг, полоса, квадрат) предъявляются те же требования, что и к фасонному такой же толщины (примечание 5).

Шаг 4. Ударная вязкость

Таблица В.1 приложения В задаёт характеристические показатели ударной вязкости проката при расчётной температуре в зависимости от группы конструкций и характеристического сопротивления Ryn:

KCV (индекс t — температура испытаний; без индекса — +20 °C) — ударная вязкость на образцах с V-образным надрезом; KCA — после деформационного старения на образцах с U-образным надрезом (ГОСТ 9454).

Нормы ударной вязкости

Примечание 3 к таблице В.1 даёт такие значения: KCA = 29 Дж/см². Для Ryn < 290 Н/мм² KCV = 34 Дж/см² на продольных и 25 Дж/см² на поперечных образцах. Для 290 ≤ Ryn ≤ 390 KCV−20 = 34 Дж/см² (продольные) и 25 Дж/см² (поперечные). Для Ryn > 390 KCV−40 = 25 Дж/см².

Разница между классами С255 и С345 не только в Ry. Для С345 ударную вязкость требуют уже при −20 °C, и это нужно указать в заказе металла.

Расчётная температура

Расчётная минимальная температура (п. 6.1.8) — это температура наиболее холодной пятидневки в районе строительства по ДСТУ-Н Б В.1.1-27 с обеспеченностью 0,92 для конструкций в отапливаемых помещениях и 0,98 для конструкций в неотапливаемых помещениях и на открытом воздухе. Для опор, мачт и других конструкций на открытом воздухе берут 0,98.

Таблица В.1 фиксирует температуру испытаний (KCV−20 или KCV−40) в зависимости от Ryn, а не от города. Формулы перехода от расчётной температуры к температуре испытаний норма не даёт. Примечание 2 к таблице В.1 отсылает к п. 5.3.1, а саму расчётную температуру определяет п. 6.1.8. Для районов, где она ниже температуры испытаний, требование уточняет проектировщик в техническом задании.

Значения из таблицы 2 ДСТУ-Н Б В.1.1-27 (столбцы 17 и 18) для областных центров. Названия даны как в стандарте: ныне Днепропетровск — это Днепр, а Кировоград — Кропивницкий.

Для пунктов, которых нет в таблице, берут данные ближайшего пункта с аналогичными условиями (п. 1.2 ДСТУ-Н Б В.1.1-27).

Толстый прокат

По п. 6.1.7 листовой прокат толщиной 25 мм и более для элементов, работающих в направлении толщины, а также прокат толщиной 40 мм и более в сварных соединениях должны отвечать требованиям по группе. Группа 1: класс сплошности 0 по ГОСТ 22727 и группа качества не ниже Z35 по ГОСТ 28870. Группа 2: класс сплошности не более 1 и Z25. Группы 3 и 4: класс сплошности не более 2 и Z15.

Шаг 5. Марка стали по стандарту и класс прочности

Класс прочности (С245, С345…) и марку по ГОСТ 380, ГОСТ 19281, ДСТУ EN 10025 сопоставляет таблица Г.5. Ниже — самые распространённые в производстве конструкций:

Выдержка; обозначения и толщины сверяйте с действующим текстом ДБН.

Как читать таблицу Г.5

Одна марка относится к разным классам в зависимости от толщины. Сталь 09Г2С — это С345 (до 10 мм), С325 (свыше 10 до 20 мм) или С295 (до 32 мм), и расчётные сопротивления в этих случаях разные (шаг 7).

Сталь Ст3пс5 соответствует классу С245, который не допускается в 1-й группе конструкций (исключение — прокат до 8 мм включительно, примечание 3 к таблице Г.1). Ст3сп5 (класс С255) допускается в группах 1–3.

Для сварных конструкций углеродистые и низколегированные стали должны поставляться с гарантией свариваемости «св» (примечание 1 к таблице Г.5). Для труб есть отдельный блок таблицы Г.1 и таблица Г.3 (ГОСТ 10705, 10706, 8731), для литья — таблицы Г.6 и Г.7; в этой статье они не рассматриваются.

Шаг 6. Химический состав и свариваемость

Таблица В.2 задаёт предельное содержание углерода, фосфора и серы (массовая доля, %, не более) и рекомендуемый углеродный эквивалент Ce:

Если конструкцию будут цинковать

Для изделий, которые после изготовления подвергают горячему цинкованию, состав стали влияет и на покрытие: от содержания кремния и фосфора зависят вид и толщина цинкового слоя. Поэтому состав металла для таких конструкций стоит согласовать с исполнителем покрытия. Подробнее — в перечне подготовки изделий к цинкованию.

Шаг 7. Расчётное сопротивление

Расчётные сопротивления Ry при растяжении, сжатии и изгибе берут из таблицы Г.2 по классу прочности и толщине (для фасонного проката — по толщине полки). Вот выдержка для сталей, которые чаще всего применяют в производстве. Саму проверку сечения с выбранной сталью показывают статьи о расчёте балки, колонны и фермы.

Для гнутых профилей берут сопротивления листового проката, из которого они изготовлены (п. 7.3). Ry листового проката снижается с ростом толщины, поэтому переход с 10 мм на 12 мм может изменить расчётное сопротивление.

Примеры

Все четыре элемента рассмотрены для класса последствий СС2 (S1 = 0), без проверенных сечений. «Есть» в S4 и S5 означает, что в элементе действуют растягивающие напряжения, а швы расположены в зонах значительного растяжения.

В примерах S4 = 7 (растягивающие напряжения есть) и S5 = 6 (швы в зонах растяжения) приняты как наихудший случай. Если элемент работает только на сжатие (S4 = 2) и напряжения сжатия не выше 0,4·Ry·γc, группу можно снизить на 4 балла по п. А.2; эти условия с растяжением несовместимы. Окончательную группу устанавливает проектировщик.

Что указать на чертежах КМ и в заказе металла

По п. 5.1.3 ДБН в рабочей документации (на чертежах КМ) приводят: категорию конструкций и их элементов по назначению и напряжённому состоянию (приложение А); класс ответственности и принятый коэффициент γn; срок эксплуатации по техническому заданию; стали и дополнительные требования к ним; типы, способы выполнения и сечения швов; класс прочности и точности болтов; степень агрессивного воздействия среды и систему защиты от коррозии. Об оформлении таких чертежей — в правилах выполнения КМ и КМД.

Если прокат работает на растяжение в направлении толщины, в заказе указывают класс сплошности по ГОСТ 22727 и, при необходимости, классификацию по относительному сужению по ГОСТ 28870 (п. 5.1.4). Остальное, что должно попасть в заказ:

• класс прочности (С345) и марку по стандарту (09Г2С ГОСТ 19281) вместе;
• требования к ударной вязкости (KCV−20, продольные или поперечные образцы), если они отличаются от базовых;
• «св» — гарантию свариваемости для сварных конструкций;
• толщину проката: от неё зависят класс по таблице Г.5 и Ry по таблице Г.2;
• категорию конструкции и группу (по таблице А.2), чтобы изготовитель видел, почему выбран именно этот класс.

Типичные ошибки

• выбирать сталь только по Ry, хотя класс, ударная вязкость и группа конструкций должны быть согласованы;
• применять С235 или Ст3кп там, где она запрещена: в группах 1 и 2, а в группе 3 — для опор ВЛ, ОРУ и КСТ и неотапливаемых конструкций на открытом воздухе (таблица Г.1, примечание а);
• не указать в заказе температуру испытаний на ударный изгиб: KCV−20 для С345 — часть требования к стали;
• не учесть толщину, от которой зависят и класс стали, и Ry (таблицы Г.2 и Г.5);
• забыть о группе после подбора сечений и после учёта толщины свыше 20 мм (п. А.2);
• заказать сталь для сварной конструкции без гарантии свариваемости.

Что мы изготавливаем

Основные марки стали, из которых ПОЛИГОНАЛЬ изготавливает металлоконструкции, — Ст3, С245, С345 и 09Г2С. Марку для вашего изделия выбирают по нагрузке, температуре эксплуатации и требованиям проекта. Если в проекте уже указаны класс и марка, изготавливаем по вашим чертежам; свойства марок собраны в разделе «Марки стали для металлоконструкций».

Нормативы, по которым составлена статья

• ДБН В.2.6-198:2014 «Стальные конструкции. Нормы проектирования» (пп. 5.1.3, 5.1.4, 5.3.5, 6.1.7, 6.1.8, 7.3, приложения А, В, Г: таблицы А.1, А.2, В.1, В.2, Г.1, Г.2, Г.5);
• ДСТУ-Н Б В.1.1-27:2010 «Строительная климатология» (таблица 2: температура наиболее холодной пятидневки; действует с 01.11.2011).