Ошибки при выборе марки стали для несущих конструкций и их последствия

25.04.2025

При расчётах несущих элементов для промышленных или строительных целей основой служит выбор марки стали, соответствующей нагрузке, температурному режиму и характеру среды. Ошибочное определение этих параметров приводит к деформациям, хрупкому разрушению или ускоренному износу узлов.

Самая частая ошибка — использование стали с недостаточной прочностью при растяжении. Так, при проектировании ферм, где основное усилие приходится именно на растягиваемые элементы, применение стали Ст3 вместо 09Г2С приводит к увеличению сечений без запаса по надежности. Величина временного сопротивления у Ст3 — 370–490 МПа, а у 09Г2С — 510–650 МПа. Разница в 150 МПа критична при малом весе конструкции.

Выбор стали по критерию пластичности требует учёта климатической зоны. В районах с температурой ниже –30°C применение углеродистых сплавов без легирования приводит к хрупкому разрушению.

Так, при испытании образцов из стали 20 при –40°C фиксируется разрушение при ударной нагрузке менее 20 Дж. Аналогичные образцы из 15ХСНД выдерживают не менее 50 Дж. Поэтому без оценки климатических условий выбор сплава — прямой путь к аварии.

Ошибкой является недооценка сварочной способности. В случае с низколегированными сталями при отсутствии предварительного подогрева сварного узла возникает закалочная структура, склонная к образованию трещин. При толщине листа 20 мм и выше рекомендуется применять подогрев до 150–200°C, особенно если используется 10ХСНД или аналогичные марки с повышенным содержанием марганца. Без этого усиливается хрупкость зоны шва, и при испытании на изгиб фиксируется разрушение именно в зоне соединения, а не в теле металла.

Отдельного внимания требует подбор материала для болтовых соединений. Неправильный выбор по классу прочности ведёт к срыву резьбы или срезу. Болт из стали 35 с термообработкой (класс 8.8) допускает растягивающее усилие до 800 Н/мм².

Если вместо него применён болт без термической обработки, он не выдержит нагрузки выше 400 Н/мм². В условиях вибрации это приводит к расшатыванию соединения и потере устойчивости узла.

При строительстве ангаров и навесов распространена ошибка применения оцинкованного проката с толщиной менее расчётной. Так, использование оцинкованной стали 0,9 мм при расчётной толщине 1,2 мм уменьшает несущую способность гнутого профиля почти на 25%. Это особенно опасно при снеговых нагрузках в северных регионах. Без запаса прочности возможен прогиб более 15 мм на пролёт длиной 6 м, что превышает допустимые нормы по СНиП.

Некорректный выбор марки для условий агрессивной среды приводит к ускоренной коррозии. В цехах с высоким содержанием кислотных паров или вблизи морских побережий требуется сталь с повышенной стойкостью. Если вместо 12Х18Н10Т использована обычная углеродистая, то уже через 2–3 года фиксируются сквозные коррозионные повреждения толщиной 1,5–2 мм, особенно в местах соединений и креплений.

Ошибка в расчёте предела текучести приводит к деформации при кратковременной перегрузке. Так, применение стали 3сп с пределом текучести около 240 МПа для балок в складском помещении, где возможны точечные перегрузки от техники, ведёт к появлению остаточных прогибов. Лучше использовать сплавы с пределом не ниже 350 МПа и хорошо выраженным плато пластической деформации.

Нельзя игнорировать ударную вязкость. Для элементов, подверженных динамическим нагрузкам — крановые балки, траверсы, рамы под прессовое оборудование — предпочтительна конструкционная сталь типа 14ХГС с вязкостью выше 50 Дж при минус 20°C. Углеродистые марки в этих условиях теряют прочностные свойства и раскалываются по линиям наименьшего сопротивления.

При расчётах переменных нагрузок стоит избегать сплавов с крупнозернистой структурой. Она приводит к снижению усталостной прочности. На практике выявлено, что сварные узлы из стали 09Г2С с зерном выше 20 мкм трескаются при 10⁶ циклах с амплитудой напряжений 150 МПа, тогда как мелкозернистая структура выдерживает не менее 2×10⁶ циклов.

При проектировании колонн и стоек важно учитывать устойчивость при осевом сжатии. Марка с высоким модулем упругости и пределом текучести предпочтительна. Так, 10Г2ФБЮ по сравнению с обычной Ст3 демонстрирует более высокий предел гибкости, что снижает вероятность потери устойчивости при минимальном сечении.

В зданиях с повышенными требованиями к огнестойкости нельзя применять материалы без термообработки. После нагрева выше 600°C сталь 3сп теряет до 50% прочности. Применение огнеупорных марок — единственный способ избежать обрушения при пожаре. В этом случае подходят сплавы с добавками ванадия или хрома, обладающие стойкостью к отпускной хрупкости.

Также не следует применять одну и ту же марку по всей длине крупной балки. Разделение на участки с разной нагрузкой и использование различных сплавов позволяет сократить массу конструкции. Так, в пролетных участках можно использовать сталь с минимальным сечением и высоким пределом прочности, а в опорных — более пластичную.

Нередко встречается ошибка в использовании несертифицированного металла. При отсутствии удостоверения качества невозможно гарантировать соблюдение нормативных параметров. Удельная масса, предел текучести, хрупкость — всё это может отличаться от паспортных значений. Даже при визуальной схожести состав и свойства разнятся.

При болтовом или клёпаном соединении стали с разной антикоррозионной стойкостью возникает электрохимическая пара. Это ускоряет разрушение более активного материала. Лучше избегать контактирования оцинкованной и нержавеющей стали без электроизоляции. Потери массы достигают 0,05 г/дм² в месяц при влажности выше 80%.

Нагрузочные испытания показывают, что при использовании марки не по назначению фактический срок службы сокращается втрое. Сталь, рассчитанная на 25 лет, при постоянных перегрузках и динамике выходит из строя за 7–8 лет. Протоколы обследований фиксируют продольные трещины, утрату первоначальной геометрии и неравномерную усадку.

Снижение стоимости конструкции при замене стали на более дешёвую влечёт значительные затраты в будущем. Стоимость аварийного демонтажа и усиления втрое выше первоначальной экономии. На практике встречаются случаи, когда при замене 10ХСНД на обычную конструкционную потребовалось полное усиление всех узлов уже через пять лет эксплуатации.

Рассказать друзьям:

Комментарии

Пока нет комментариев