Холоднокатаная сталь - Cold-formed steel
 | Примеры и перспективы в этой статье имеют дело в первую очередь с Соединенными Штатами и не представляют мировое мнение предмета. (Декабрь 2010 г.) (Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения) |
Холоднокатаная сталь (CFS) - общий термин для стальных изделий, формованных холодная обработка процессы, выполняемые при температуре около комнатной, такие как прокатка, давящий, штамповка, изгиб и др. Сток бары и листы холоднокатаная сталь (CRS) широко используются во всех сферах производства. Условия противопоставляются горячеформованная сталь и горячекатаный прокат.
Сталь холодной штамповки, особенно в виде тонких листов, обычно используется в строительная промышленность для конструкционных или 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, складских стеллажах, зерновые бункеры, автомобильные кузова, железнодорожные вагоны, шоссейные изделия, опоры передачи, опоры передачи, дренаж объекты, огнестрельное оружие, различное оборудование и др.[1][2] Эти типы профилей изготавливаются методом холодной штамповки из стального листа, полосы, листа или полосового проката. профилирование станки, листогибочным прессом (машинный пресс ) или гибочные операции. Толщина материала для таких тонкостенных стальных элементов обычно составляет от 0,0147 дюйма (0,373 мм) до примерно ¼ дюйма (6,35 мм). Стальные пластины и прутки толщиной до 1 дюйма (25,4 мм) также могут быть успешно подвергнуты холодной штамповке в конструкционные формы (AISI, 2007b).[3]
История
Использование холодногнутых стальных элементов в строительстве зданий началось в 1850-х годах как в США, так и в Великобритании. В 1920-х и 1930-х годах использование 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,[4] построен около 1925 года в Линчбурге, штат Вирджиния. Стены были несущими каменными кладками, но система перекрытий была обрамлена двойными стыковочными стальными каналами с выступами холодной штамповки. По словам Чака Грина, P.E. из компании Nolen Frisa Associates,[5] балки были адекватны, чтобы выдерживать начальные нагрузки и пролеты, исходя из текущих методов анализа. Грин спроектировал недавнюю реконструкцию конструкции и сказал, что по большей части балки все еще работают хорошо. Наблюдение за строительной площадкой 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
Нормы проектирования на горячекатаный прокат (см. конструкционная сталь ) были приняты в 1930-х годах, но неприменимы для холодногнутых профилей из-за их относительно тонких стальных стенок, подверженных короблению. Стальные элементы холодной штамповки сохраняют 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 многие возможные формы. Даже небольшое изменение геометрии привело к значительным изменениям прочностных характеристик сечения. Необходимо было установить некоторые минимальные требования и законы для контроля характеристик потери устойчивости и прочности. Также было замечено, что тонкие стенки подвергались локальному короблению под действием небольших нагрузок в некоторых секциях, и что эти элементы в этом случае были способны выдерживать более высокие нагрузки даже после местного изгиба элементов.
В Соединенных Штатах первое издание Спецификаций для проектирования стальных конструктивных элементов легкой толщины было опубликовано Американский институт железа и стали (AISI) в 1946 году (AISI, 1946).[6] Первый Расчет допустимого напряжения (ASD) Спецификация была основана на исследовательской работе, спонсируемой AISI в Корнелл Университет под руководством покойного профессора Джорджа Винтера [2] с 1939 г.[7] В результате этой работы Джордж Винтер теперь считается родоначальником конструкции из холодногнутой стали. Спецификация ASD была впоследствии 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).[8] В 1991 году AISI опубликовал первое издание Расчет коэффициента нагрузки и сопротивления Спецификация разработана в Университет Миссури Роллы и Вашингтонский университет под руководством Вэй-Вен Ю [3] и Теодор В. Галамбос (AISI, 1991).[9] Спецификации ASD и LRFD были объединены в единую спецификацию в 1996 году (AISI, 1996).[10]
В 2001 году совместными усилиями Комитета по спецификациям AISI было разработано первое издание Североамериканских спецификаций для проектирования элементов конструкций из холодногнутой стали. Канадская ассоциация стандартов (CSA) Технический комитет по элементам конструкций из холоднокатаной стали и Камара Насьональ де ла Индустрия дель Йерро-и-дель-Асеро (КАНАКЕРО) в Мексике (AISI, 2001).[11] Он включал методы ASD и LRFD для США и Мексики вместе с методом расчета предельных состояний (LSD) для Канады. Эта Североамериканская спецификация аккредитована Американским национальным институтом стандартов (ANSI ) в качестве стандарта ANSI, заменяющего спецификацию AISI 1996 г. и стандарт CSA 1994 г. После успешного использования Североамериканской спецификации 2001 г. в течение шести лет она была пересмотрена и расширена в 2007 г.[12]
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 железа и стали также опубликовала комментарии к различным редакциям спецификаций, руководств по проектированию, стандартов проектирования каркасов, различных руководств по проектированию и вспомогательных средств проектирования для использования холодногнутой стали. Подробнее см. AISI. [4] интернет сайт.
Международные нормы и стандарты
США, Мексика и Канада используют Североамериканские спецификации 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 стальных холодногнутых элементов. В других странах используются 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) по адресу Нормы стандартов на холоднокатаную сталь во всем мире.
Африка
ЭфиопияСтроительные нормы и правила: EBCS-1 Основы проектирования и действия на конструкции EBCS-3 Проектирование стальных конструкций
Южная АфрикаСпецификация: SANS 10162 - Использование стали в конструкциях: Часть 2 - Расчет по предельным состояниям холодногнутых стальных конструкций Строительные нормы: Национальные строительные нормы и правила Южной Африки
Америка
Соединенные ШтатыСпецификация: Североамериканские спецификации для проектирования элементов конструкций из холодногнутой стали, номер документа AISI S100-2007, опубликованные Американским институтом черной металлургии в октябре 2007 г. Строительные нормы: IBC и / или NFPA может быть принудительным, но оба ссылаются на AISI S100.
КанадаСпецификация: Североамериканские спецификации для проектирования элементов конструкций из холодногнутой стали, номер документа CAN / CSA S136-07, опубликованный Канадская ассоциация стандартов который такой же, как AISI S100, за исключением крышки. Код здания: Национальный строительный кодекс Канады - 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.
БразилияСпецификация: NBR 14762: 2001 Dimensionamento de estruturas de aço constituídas por perfis formados a frio - Процедура (Проектирование стали холодной штамповки - Процедура, последнее обновление 2001 г.) и NBR 6355: 2003 Perfis estruturais de aço formados a frio - Padronização (Холодное формование стальные конструкционные профили, последнее обновление 2003 г.) Строительный кодекс: ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas (www.abnt.org.br)
ЧилиNCH 427 - приостановлено, поскольку было написано в 1970-х годах. Холодногнутые стальные 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 будут выпущены некоторые приведенные адаптации. здесь .
АргентинаCIRSOC 303 для легких стальных конструкций, в состав которых входит холодногнутая сталь. 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
ФилиппиныНациональный 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.
ИндияСпецификация: IS: 801, Индийский стандартный свод правил по использованию холодногнутых легких стальных конструктивных элементов в строительстве зданий общего назначения, Бюро индийских стандартов, Нью-Дели (1975). (в настоящее время пересматривается) Строительный кодекс: см. - код модели Национальный строительный кодекс Индии
КитайСпецификация: Технический кодекс холодногнутых тонкостенных стальных конструкций Строительный код: GB 50018-2002 (текущая версия)
ЯпонияСпецификация: Руководство по проектированию легких стальных конструкций Строительный кодекс: Уведомление о техническом стандарте № 1641 в отношении легких стальных конструкций.
МалайзияМалайзия использует британский стандарт BS5950, особенно BS5950: Часть 5; Также упоминается AS4600 (из Австралии).
Европа
Страны ЕССпецификация: EN 1993-1-3 (такой же, как Еврокод 3, часть 1-3), Проектирование стальных конструкций - холодногнутые тонкие элементы и листы. Каждая европейская страна получит свои собственные Национальные дополнительные документы (NAD).
ГерманияСпецификация: Немецкий комитет по стальным конструкциям (DASt), DASt-Guidelines 016: 1992: Расчет и проектирование конструкций с тонкостенными элементами холодной штамповки; В Немецком строительном кодексе: 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): Выполнение стальных и алюминиевых конструкций - Технические требования к исполнению стальных конструкций; Версия для Германии EN 10162: 2003: Профили стальные холоднокатаные - Технические условия поставки - Допуски на размеры и поперечное сечение; Немецкая версия
ИталияСпецификация: UNI CNR 10022 (национальный документ) EN 1993-1-3 (не обязательно)
объединенное КоролевствоЕврокод для холодногнутой стали в Великобритании. BS EN 1993-1-3: 2006: Еврокод 3. Проектирование стальных конструкций. Основные правила.
Океания
АвстралияСпецификация: AS / NZS 4600AS / 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.
Новая ЗеландияСпецификация: AS / NZS 4600 (как в Австралии)
Общие профили разделов и приложения
В строительстве используются в основном два типа конструкционной стали: стальной горячекатаный профиль и стальной холодногнутый профиль. Горячекатаные стальные профили формуются при повышенных температурах, а стальные холодногнутые профили формуются при комнатной температуре. Стальные конструкционные элементы, полученные холодной штамповкой, представляют собой профили, обычно изготавливаемые из стального листа, листового металла или полосы. Процесс производства включает формирование материала либо листогибочный пресс или же холодная формовка для достижения желаемой формы.
Когда сталь формуют пресс-тормозом или холодной прокаткой, механические свойства материала меняются 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:[13]
- Легкость в весе
- Высокая прочность и жесткость
- Простота изготовления и серийного производства
- Быстрый и легкий монтаж и установка
- Существенное устранение задержек из-за погоды
- 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 несущего каркаса или панели и настилы.
Некоторые из популярных приложений и предпочтительные разделы:
- 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
Стеновое соединение шпильки / балки CFS
Спецификация AISI допускает использование стали в соответствии со следующими спецификациями ASTM в таблице ниже:[14]
| Обозначение стали | Обозначение ASTM | Товар | Предел текучести Fy (тыс. Фунтов на кв. Дюйм) | Прочность на растяжение Fu (тыс. Фунтов на кв. 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 | ||
| Конструкционная сталь высокопрочная низколегированная | A242 | 46 | 67 | 1.46 | 21 | |
| Листы из углеродистой стали с низкой и средней прочностью на разрыв | A283 | |||||
| А | 24 | 45-60 | 1.88 | 30 | ||
| B | 27 | 50-65 | 1.85 | 28 | ||
| C | 30 | 55-75 | 1.83 | 25 | ||
| D | 33 | 60-80 | 1.82 | 23 | ||
| Трубы конструкционные 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 | ||
| 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 | ||
| D | 36 | 58 | 1.61 | 23 | ||
| Высокопрочная углеродисто-марганцевая сталь | A529 Gr. 42 | 42 | 60-85 | 1.43 | 22 | |
| A529 Gr. 50 | 50 | 70-100 | 1.40 | 21 | ||
| Листы и полосы из углеродистой стали горячекатаные конструкционного качества | A570 | |||||
| Gr. 30 | 30 | 49 | 1.63 | 21 | ||
| 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 | ||
| 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 | |
| Горячекатаный и холоднокатаный высокопрочный лист и полоса из низколегированной стали с повышенной коррозионной стойкостью | A606 | Горячекатаный прокат, длина реза | 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) | ||
| Греческий 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) | ||
| Греческий 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 | ||
| 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 листы и полосы из высокопрочной низколегированной стали с повышенной 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 деформационные 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 рисунках 1 и 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. Начальный 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. Предполагается, 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 Модуль упругости на основе стандартных методов обычно варьируются от От 29000 до 30 000 тысяч фунтов на квадратный дюйм (от 200 до 207 ГПа). Значение 29 500 ksi (203 ГПа) рекомендовано AISI в своих технических характеристиках для целей проектирования. Предел прочности на разрыв 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 разброса между пределом прочности на растяжение и пределом текучести исходного материала.
Критерии пластичности
Пластичность определяется как «степень, в которой материал может выдерживать пластическую деформацию без разрыва». Это не только требуется в процессе формования, но также необходимо для пластического перераспределения напряжения в элементах и соединениях, где может происходить концентрация напряжений. Критерии пластичности и характеристики сталей с низкой пластичностью для холодногнутых элементов и соединений были изучены Дхалла, Зима, и Эррера в Корнелл Университет. Было обнаружено, что измерение пластичности при стандартном испытании на растяжение включает в себя локальную пластичность и однородную пластичность. Локальная пластичность определяется как локальное удлинение в зоне возможного разрушения. Равномерная пластичность - это способность растяжения купон подвергаться значительным пластическим деформациям по всей длине до образования шейки. 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 во избежание преждевременного хрупкого разрушения и для достижения 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 дюйма. (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 предела прочности к пределу текучести Fu / Fy должно быть не менее 1,05.
Свариваемость
Свариваемость относится к способности стали без труда сваривать удовлетворительное, без трещин, прочное соединение в условиях изготовления.[1]Сварка возможно для холодногнутых стальных элементов, но он должен соответствовать стандартам, приведенным в AISI С100-2007, Раздел E.
1.Если толщина меньше или равна 3/16 дюйма (4,76 мм):
Возможны следующие варианты сварных швов холодногнутых стальных профилей, в которых толщина самого тонкого элемента соединения составляет 3/16 дюйма или меньше.
- Стыковые швы в стыковых соединениях
- Точечная дуговая сварка
- Дуговые швы
- Угловые швы
- Сварные швы с развальцовкой
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 требованиям ANSI / AISC-360. Позиции сварки указаны в соответствии с AISI S100-2007 (Таблица E2a)[12]
Минимальная толщина материала, рекомендуемая для сварных соединений
| Заявление | Магазин или же Изготовление на месте | Электрод метод | Рекомендуемая минимальная толщина CFS |
|---|---|---|---|
| CFS в Конструкционная сталь | Изготовление на месте | Ручная сварка | От 54 до 68 мил |
| CFS в Конструкционная сталь | Изготовление цеха | 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 | Изготовление цеха | Сварка MIG (металл в инертном газе) с подачей проволоки | 33 мил |
Применение в зданиях
Каркас из стали холодной штамповки
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 фермы. 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 «шпильки» с вертикальными выступами канала, которые вставляются в секции «дорожки» без прорезей вверху и внизу. Аналогичные 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. Гусеницы также образуют верхнюю часть и подоконники окон и обычно закрывают верхнюю и нижнюю часть заголовков, помещенных в прямоугольную или расположенную вплотную друг к другу.
- U-образные элементы представляют собой каналы, 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.
Соединители и крепеж в обрамлении
Соединители используются в стальных конструкциях холодной штамповки для крепления элементов (т.е. шпильки, балки ) 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. Есть два основных типа подключения: Фиксированное и разрешающее движение (Соскальзывать). 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 перемещение, 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. Одно из применений соединения, допускающего вертикальное перемещение, - это 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, выходящих за край конструкции пола. Когда эти зажимы имеют L-образную форму, они имеют прорези, параллельные изгибу зажима. Если конструкция находится в активном сейсмическая зона, соединения, допускающие вертикальное и горизонтальное перемещение, могут использоваться для компенсации как вертикального, так и горизонтального отклонения конструкции.
Соединители могут быть прикреплены к стальным элементам, полученным методом холодной штамповки, и к основной конструкции с помощью сварных швов, болтов или саморезов. Эти методы крепления признаны в Североамериканских спецификациях Американского института железа и стали (AISI) 2007 г. для проектирования элементов конструкций из холодногнутой стали, глава E. Другие методы крепления, такие как зажимы, механические крепления (PAF), механические анкеры, клеевые анкеры и структурный клей, используются на основе 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 на кв. Дюйм | 29 500 тысяч фунтов / кв. Дюйм | |
| Единица измерения | Вес агрегата сравнительно велик. | Он намного меньше. | |
| Пластичность | Более пластичный по своей природе. | Менее пластичный. | |
| Дизайн | В большинстве случаев мы рассматриваем только глобальное продольное изгибание стержня. | Необходимо учитывать местное продольное изгибание, деформационное изгибание, 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 находится на продвинутой стадии. | Больше возможностей, поскольку концепция относительно новая, а материал находит широкое применение. |
Отжиг, также описанный в предыдущем разделе, является частью процесса производства холодногнутого стального листа. Это термическая обработка метод, который изменяет микроструктуру стали холодного восстановления для восстановления ее пластичность.
Альтернативные методы проектирования
Метод прямой прочности (DSM) - это альтернативный метод расчета, приведенный в Приложении 1 к Североамериканские спецификации для проектирования элементов конструкций из холодногнутой стали 2007 (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 секций 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 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 упругой потери устойчивости и (2) использование уравнений DSM в Приложении 1 для определения номинальной прочности при изгибе и осевой нагрузке, 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 кручения на все режимы потери устойчивости.
В настоящее время в DSM нет положений, относящихся к сдвигу, повреждению стенки, образованию отверстий в элементах или увеличению прочности из-за холодной штамповки. 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 прогнозируется в целом с помощью DSM вместо использования метода эффективной ширины спецификации, который разбивает поперечное сечение на несколько эффективных элементов. Один тонкий элемент вызовет низкую прочность в DSM, чего нельзя сказать о текущем методе спецификации. В метод конечных полос Использование 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.
Рекомендации
- ^ а б Вэй-Вэнь Ю, John Wiley and Sons Inc. (2000). Конструкция из холодногнутой стали. John Wiley & Sons, Нью-Йорк, Нью-Йорк.
- ^ "Индивидуальные холоднокатаные и холоднотянутые металлические профили | Прецизионные металлы Rathbone". www.rathboneprofiles.com. Получено 28 августа 2018.
- ^ Американский институт чугуна и стали, Комментарий к североамериканским техническим условиям на проектирование элементов конструкций из холодногнутой стали, Вашингтон, округ Колумбия, опубликовано в 2007 г.
- ^ «Архивная копия». Архивировано из оригинал 3 мая 2009 г.. Получено 13 августа 2009.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь)
- ^ [1][постоянная мертвая ссылка ]
- ^ Американский институт чугуна и стали, Технические условия на проектирование легких стальных конструктивных элементов, Нью-Йорк, Нью-Йорк, опубликовано в 1946 году.
- ^ Журнал структурного подразделения ASCE, том 85, номер ST9, Холоднформованная легкая стальная конструкция, Опубликовано в 1959 г.
- ^ Yu, W.W., D.S. Wolford, A.L. Johnson, Золотая годовщина спецификации AISI, Труды 13-й Международной специализированной конференции по холодногнутым стальным конструкциям, Сент-Луис, Миссури, опубликовано в 1996 г.
- ^ Американский институт чугуна и стали, Спецификация расчета коэффициента нагрузки и сопротивления для элементов конструкций из холодногнутой стали, Вашингтон, округ Колумбия. Опубликовано в 1991 г.
- ^ Американский институт чугуна и стали, Технические условия на проектирование элементов конструкций из холодногнутой стали, Вашингтон, округ Колумбия, опубликовано в 1996 г.
- ^ Американский институт железа и стали, Североамериканские спецификации для проектирования элементов конструкций из холодногнутой стали, Вашингтон, округ Колумбия, опубликовано в 2001 г.
- ^ а б Американский институт железа и стали (2007). Североамериканские спецификации для проектирования элементов конструкций из холодногнутой стали. Вашингтон, округ Колумбия.
- ^ Грегори Дж. Хэнкок, Томас М. Мюррей, Дуэйн С. Эллифритт, Marcel Dekker Inc., "Холоднокатаные стальные конструкции согласно спецификации AISI”, 2001
- ^ Стандарт ASTM, “Продукция из чугуна и стали”, Vol. 01.04, 2005
- ^ Ide, Brian, S.E., P.E. и Аллен, Дон, П.Е. Журнал SECB.Structural Engineer. Сентябрь 2009 г., стр. 26
внешняя ссылка
Организации
- Американский институт железа и стали (AISI) [5]
- Ассоциация производителей металлоконструкций (SFIA) [6]
- Steel Framing Alliance (SFA) [7]
- Ассоциация производителей стальных шпилек (SSMA) [8]
- Институт инженеров холодной штамповки стали (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: