Құрылыста қолданылатын болат түрлері

Кіріспе

Құрылыста қолданылатын болат түрі

Құрылымдық болат – құрылыс материалдарын әртүрлі пішінде жасауға қолданылатын болаттың бір түрі. Көптеген құрылымдық болат пішіндері белгілі бір көлденең қима профилі бар созылған қабырға түрінде болады. Құрылымдық болаттың пішіні, мөлшері, химиялық құрамы, мықтылығы сияқты механикалық қасиеттері мен сақтау талаптары көптеген өнеркәсіп дамыған елдерде стандарттармен реттеледі. Көптеген құрылымдық болат пішіндері, мысалы қабырғалар, көлденең қима ауданына қатысты жоғары инерция моментіне ие, яғни олар өте қатты болып, артық иілусіз жоғары жүктемеге төте шеге алады.

Көміртекті болаттар

A36 – құрылымдық пішіндер мен пластиналар. A53 – құрылымдық құбырлар мен түтіктер. A500 – құрылымдық құбырлар мен түтіктер. A501 – құрылымдық құбырлар мен түтіктер. A529 – құрылымдық пішіндер мен пластиналар. A1085 – құрылымдық құбырлар мен түтіктер.

Коррозияға төзімді жоғары беріктігі төмен қорытпалы болат

A243 – құрылымдық пішіндер мен пластиналар. A588 – құрылымдық пішіндер мен пластиналар.

Қалған және қатаңдатылған қорытпа болаттар

А514 – құрылымдық пішіндер мен пластиналар. А517 – қазандықтар мен қысымға төзімді ыдыстар. Эглин болат – төмен бағалы әуе-ғарыш және қару-жарақ өнімдері.

Құрылыс материалдарын таңдау

Көптеген құрылыс жобаларында жүздеген түрлі материалдар қолданылады. Олар әртүрлі сипаттамалары бар бетон, конструкциялық болат, саз, цемент ерітіндісі, керамика, ағаш және тағы да басқалар. Жүк көтергіш конструкциялық қаңқа тұрғысынан алғанда, материалдар әдетте тиімді құрылымды жасау үшін олардың қолайлы үйлесімін пайдалана отырып, конструкциялық болаттан, бетоннан, қабырғадан және/немесе ағаштан тұрады. Көптеген коммерциялық және өнеркәсіптік құрылыстар негізінен конструкциялық болаттан немесе темір бетоннан салынады. Құрылысты жобалау кезінде инженер жобаға ең қолайлы материалды немесе материалдарды таңдауы керек. Құрылыс материалындарын таңдағанда көптеген факторлар ескеріледі. Бағасы көбінесе басты шектеуші фактор болып табылады; алайда, соңғы шешім қабылдамас бұрын салмақ, беріктік, салуға қолайлылығы, қолжетімділігі (географиялық орналасуы және нарықтағы қолжетімділігі), тұрақтылығы және өртке төзімділігі сияқты басқа да факторлар қарастырылады. Материалдардың бағасы – Бұл құрылыс материалдарының бағасы жобаның географиялық орналасуына және материалдардың қолжетімділігіне толығымен байланысты болады. Бензин бағасы сияқты, цемент, инертті материалдар, болат және т.б. бағалары да ауытқиды. Темір бетонның құрылыс бағасының шамамен жартысы қажетті қалыптық жұмыстарға кетеді. Бұл бетон құйылған «қорап» немесе контейнерді жасау үшін қажетті ағаш немесе қаңқаны білдіреді. Қалыптардың құны алдын ала дайындалған бетонды дизайнерлер үшін танымал нұсқаға айналдырады, себебі ол шығындарды және уақытты қысқартады. Болат салмағымен сатылатындықтан, конструкциялық инженер қауіпсіз конструкциялық жобаны сақтай отырып, мүмкіндігінше жеңіл элементтерді таңдауы керек. Бірегей өлшемді немесе пішіндегі элементтердің орнына бірдей болат элементтердің көп санын пайдалану да шығындарды азайтады. Беріктік/салмақ арақатынасы – Құрылыс материалдары әдетте олардың беріктігі мен салмағының арақатынасы бойынша жіктеледі, яғни нақты беріктік, ол материалдың беріктігін оның тығыздығына бөлгенде шығады. Бұл арақатынастар материалдың салмағына қатысты қаншалықты тиімді екенін көрсетеді, бұл өз кезегінде оның құнын және салудың оңайлығын көрсетеді. Бетон әдетте кернеуге қарағанда қысымда он есе мықты болады, бұл оған қысымда салмаққа қатысты жоғары беріктік береді. Тұрақтылық – Көптеген құрылыс компаниялары мен материал жеткізушілер қоғамдық беделге және үкіметтік жеңілдетулерге байланысты қоршаған ортаға қатысты жауапкершілікке көбірек назар аударуға мәжбүр. Тұрақтылық ұрпақтар бойы қоршаған ортада болатын материалдар үшін жаңа мәселе болып табылады. Тұрақты материал орнатылғаннан бастап және өмірлік циклы бойында қоршаған ортаға ең аз әсер етеді. Темір бетон мен конструкциялық болат дұрыс қолданғанда тұрақты болуы мүмкін. Құрылымдық болат элементтерінің 80% -ден астамы қайта өңделген металлдан, А992 болатынан жасалады. Бұл материал арзан және бұрын қолданылған болаттан жасалған (A36 класы) элементтерге қарағанда беріктігі мен салмағы жоғары. Бетонның материалдық құрауында қоршаған ортаға зиян келтірмейтін табиғи материалдар бар, және бетонды енді су өткізгіш етіп құюға болады, бұл судың төселген беттен ағып өтуіне мүмкіндік береді, соның салдарынан дренаж немесе ағынды инфрақұрылымның қажеттілігі азаяды. Бетонды ұсақтап, болашақта бетон қолданғанда инертті материал ретінде пайдалануға болады, бұл жерді толтырудан сақтайды. Өртке төзімділік – Ғимаратқа төнген ең қауіпті қауіптердің бірі – өрт қаупі. Бұл әсіресе құрғақ, желді климатта және ағаштан жасалған құрылыстар үшін өте маңызды. Құрылымдық болаттан жасалған конструкциялардың өрт қаупі бар жағдайда болмауы үшін ерекше шаралар қолданылуы керек. Темір бетон өрт кезінде қауіп тудырмайды және тіпті өрттің таралуына, сондай-ақ температураның өзгеруіне төзімді. Бұл бетонды тамаша оқшаулағыш етеді, оны қоршаған ғимараттың тұрақтылығын жақсартады, климатты сақтау үшін қажетті энергияны азайтады. Салуға қолайлылығы – Құрылымдық болатты кез келген пішінге келтіруге болады, олар құрылыс кезінде болттармен немесе дәнекерлеу арқылы біріктіріледі. Құрылымдық болат материалдары жерге жеткізілгеннен кейін орнатылуы мүмкін, ал бетонды құюдан кейін кемінде 1-2 апта бойы кептіру керек, содан кейін құрылыс жалғасады, бұл болатты кестеге ыңғайлы құрылыс материалы етеді. Бүгінгі күні ең биік құрылыстар (көбінесе «көкжайлар» немесе биік ғимараттар деп аталады) құрылымдық болаттан жасалады, себебі оның салуға қолайлылығы және жоғары беріктік/салмақ арақатынасы бар. Қарама-қарсылығы, бетон болаттан кем тығыз болғанымен, беріктік/салмақ арақатынасы әлдеқайда төмен. Бұл бірдей жүктемені көтеру үшін бетон конструкциялық элементінің көлемі әлдеқайда үлкен болғандықтан болады; болат, тығыз болғанымен, жүк көтеру үшін сонша материал қажет етпейді. Алайда, бұл артықшылық төмен қабатты ғимараттар үшін немесе бірнеше қабаты бар ғимараттар үшін маңызсыз болады. Төмен қабатты ғимараттар биік ғимараттарға қарағанда әлдеқайда кішкентай жүктемелерді бөліседі, сондықтан бетон экономикалық таңдау болып табылады. Бұл әсіресе қарапайым құрылымдар үшін, мысалы, тұрақтар үшін немесе қарапайым, тіктөртбұрышты пішіндегі кез келген ғимарат үшін дұрыс. Құрылымдық болат пен темір бетон әрқашан құрылым үшін ең қолайлы материал болғандықтан таңдалмайды. Компаниялар кез келген құрылыс жобасынан пайда табу қабілетіне сеніп, дизайнерлер де солай істейді. Шикізаттардың (болат, цемент, ірі және ұсақ инертті материалдар, қалыптар үшін ағаш және т.б.) бағасы үнемі өзгереді. Егер құрылысты екі материалдың бірімен салуға болады болса, ең арзан материал бағаны анықтайды. Тағы бір маңызды айнымалы фактор – жобаның орналасқан жері. Ең жақын болат құрылыс орны құрылыс аламатынан бетон жеткізушіге қарағанда әлдеқайда алыс болуы мүмкін. Энергия мен тасымалдаудың жоғары бағасы материалды таңдауды анықтайды. Бұл барлық шығындар құрылыс жобасының концептуалды жобасы басталмас бұрын ескеріледі.

Most construction projects require the use of hundreds of different materials. These range from concrete of all different specifications, structural steel, clay, mortar, ceramics, wood, and so on. In terms of a load bearing structural frame, materials will generally consist of structural steel, concrete, masonry, and/or wood, using a suitable combination of each to produce an efficient structure. Most commercial and industrial structures are primarily constructed using either structural steel or reinforced concrete. When designing a structure, an engineer must decide which, if not both, material is most suitable for the design. There are many factors considered when choosing a construction material. Cost is commonly the primary controlling element; however, other considerations such as weight, strength, constructability, availability (with regards to geographic location as well as market availability), sustainability, and fire resistance will be taken into account before a final decision is made. Cost – The cost of these construction materials will depend entirely on the geographical location of the project and the availability of the materials. Just as the price of gasoline fluctuates, so do the prices of cement, aggregate, steel, etc. Reinforced concrete derives about half of its construction costs from the required form work. This refers to the lumber or framework necessary to build the "box" or container in which the concrete is poured and held until it cures. The expense of the forms makes precast concrete a popular option for designers due to the reduced costs and time required. With steel being sold by weight, the structural designer must specify the lightest members possible while maintaining a safe structural design. Utilizing a large number of identical steel members rather that unique size or shape members also reduces cost. Strength/weight ratio – Construction materials are commonly categorized by their strength to weight ratio—or specific strength, which is the strength of a material divided by its density. These ratios indicate how useful the material is for its weight, which in turn indicates its cost and ease of construction. Concrete is typically ten times stronger in compression than in tension, giving it a higher strength to weight ratio in compression. Sustainability Primarily due to public image and government incentives, many construction companies and material vendors are having to focus efforts more on environmental friendliness. Sustainability has become an entirely new consideration for materials that will be in the environment for generations. A sustainable material minimally affects the environment upon installation and throughout its life cycle. Reinforced concrete and structural steel can be sustainable if used properly. Over 80% of structural steel members are fabricated from recycled metals, called A992 steel. This member material is cheaper and has a higher strength to weight ratio than previously used steel members (A36 grade). Concrete's material components are naturally occurring materials that are not harmful to the environment, and concrete can now be poured to be permeable, letting water flow through a paved surface to reduce the need for drainage or runoff infrastructure. Concrete can also be crushed and used as aggregate in future concrete applications, avoiding the use of land fill. Fire resistance One of the most dangerous hazards to a building is a fire hazard. This is especially true in dry, windy climates and for structures constructed using wood. Special considerations must be taken into account with structural steel to ensure it is not under a dangerous fire hazard condition. Reinforced concrete characteristically does not pose a threat in the event of a fire and even resists the spreading of fire, as well as temperature changes. This makes concrete excellent insulation, improving the sustainability of the building it surrounds by reducing the required energy to maintain climate. Constructability Structural steel can be developed into nearly any shape, which are either bolted or welded together in construction. Structural steel can be erected as soon as the materials are delivered on site, whereas concrete must be cured at least 1–2 weeks after pouring before construction can continue, making steel a schedule friendly construction material. The tallest structures today (commonly called "skyscrapers" or high rise) are constructed using structural steel due to its constructability, as well as its high strength to weight ratio. In comparison, concrete, while being less dense than steel, has a much lower strength to weight ratio. This is due to the much larger volume required for a structural concrete member to support the same load; steel, though denser, does not require as much material to carry a load. However, this advantage becomes insignificant for low rise buildings, or those with several stories or less. Low rise buildings distribute much smaller loads than high rise structures, making concrete the economical choice. This is especially true for simple structures, such as parking garages, or any building that is a simple, rectilinear shape. Structural steel and reinforced concrete are not always chosen solely because they are the most ideal material for the structure. Companies rely on the ability to turn a profit for any construction project, as do the designers. The price of raw materials (steel, cement, coarse aggregate, fine aggregate, lumber for form work, etc.) is constantly changing. If a structure could be constructed using either material, the cheapest of the two will likely control. Another significant variable is the location of the project. The closest steel fabrication facility may be much further from the construction site than the nearest concrete supplier. The high cost of energy and transportation will control the selection of the material as well. All of these costs will be taken into consideration before the conceptual design of a construction project is begun.

Өртке төзімділік

Болат жеткілікті түрде қыздырылғанда беріктігін жоғалтады. Болат конструкциялық элементтің сын температурасы – оның жүктемені қауіпсіз түрде ұстай алмайтын температурасы. Құрылыс нормалары мен құрылымдық инженерлік стандартты тәжірибе конструкциялық элементтің түріне, конфигурациясына, орналасуына және жүктеме сипаттамаларына байланысты әртүрлі сын температураларын анықтайды. Сын температура көбінесе оның ағымдық шегінің бөлме температурасындағы ағымдық шегінің 60%-ына дейін төмендеген температура деп есептеледі. Болат конструкциялық элементтің өртке төзімділік класын анықтау үшін қабылданған есептеулерді пайдалануға немесе өрт сынағын жүргізуге болады, ондағы сын температурасы Құқық иеленуші орган бекіткен стандартпен, мысалы, құрылыс нормаларымен белгіленеді. Жапонияда бұл 400°C-тан төмен. Қытайда, Еуропада және Солтүстік Америкада (мысалы, ASTM E 119) бұл шамамен 1000–1300°F (530–810°C) құрайды. Сыналып жатқан болат элементінің сынақ стандартында белгіленген температураға жетуіне кеткен уақыт өртке төзімділік класының ұзақтығын анықтайды. Болатқа жылу беруді өртке төзімді материалдарды қолдану арқылы баяулатуға болады, осылайша болаттың температурасын шектеуге болады. Құрылымдық болатты өрттен қорғаудың жалпы әдістеріне интумесцентті, эндотермиялық және гипсті қаптамалар, сондай-ақ гипсокартон, кальций силикаты қаптамасы және минералды жүнді жылу оқшаулағыш жамылғылар жатады. Бетоннан жасалған құрылыс конструкциялары көбінесе талап етілетін өртке төзімділік класына сәйкес келеді, себебі болат арматураның бетон қалыңдығы жеткілікті өртке төзімділікті қамтамасыз етеді. Дегенмен, бетон, әсіресе ылғалдылығы жоғары болса, жарылуға ұшырауы мүмкін. Қосымша өрттен қорғау көбінесе бетонды құрылыс конструкцияларына қолданылмайды, бірақ олар көмірсутек отынының өртенуі мүмкін болатын көлік туннельдерінде және орындарда қолданылады, себебі тұтанғыш сұйық отындардың өрті бірдей өрт кезеңінде қарапайым жанғыш заттардың өртімен салыстырғанда құрылымдық элементке көбірек жылу береді. Құрылымдық болатты өрттен қорғау материалдарына интумесцентті, эндотермиялық және гипсті қаптамалар, сондай-ақ гипсокартон, кальций силикаты қаптамасы және минералды немесе жоғары температуралы жылу оқшаулағыш жүн жамылғылары кіреді. Құрылымдық элементтердің жылулық кеңеюі өртке төзімділік класын жоғалтуы мүмкін болғандықтан, қосылымдарға назар аудару қажет.

Steel loses strength when heated sufficiently. The critical temperature of a steel member is the temperature at which it cannot safely support its load. Building codes and structural engineering standard practice defines different critical temperatures depending on the structural element type, configuration, orientation, and loading characteristics. The critical temperature is often considered the temperature at which its yield stress has been reduced to 60% of the room temperature yield stress. In order to determine the fire resistance rating of a steel member, accepted calculations practice can be used, or a fire test can be performed, the critical temperature of which is set by the standard accepted to the Authority Having Jurisdiction, such as a building code. In Japan, this is below 400 °C. In China, Europe and North America (e. g., ASTM E 119), this is approximately 1000–1300 °F (530–810 °C). The time it takes for the steel element that is being tested to reach the temperature set by the test standard determines the duration of the fire resistance rating. Heat transfer to the steel can be slowed by the use of fireproofing materials, thus limiting steel temperature. Common fireproofing methods for structural steel include intumescent, endothermic, and plaster coatings as well as drywall, calcium silicate cladding, and mineral wool insulating blankets. Concrete building structures often meet code required fire resistance ratings, as the concrete thickness over the steel rebar provides sufficient fire resistance. However, concrete can be subject to spalling, particularly if it has an elevated moisture content. Although additional fireproofing is not often applied to concrete building structures, it is sometimes used in traffic tunnels and locations where a hydrocarbon fuel fire is more likely, as flammable liquid fires provides more heat to the structural element as compared to a fire involving ordinary combustibles during the same fire period. Structural steel fireproofing materials include intumescent, endothermic and plaster coatings as well as drywall, calcium silicate cladding, and mineral or high temperature insulation wool blankets. Attention is given to connections, as the thermal expansion of structural elements can compromise fire resistance rated assemblies.

Өңдеу

Жұмыс дайындамаларын ұзындығына қарай кесу әдетте ленталы арамен жасалады. Бұрғылау желісі (бораулау желісі) бұрғылау, арналар мен HSS элементтеріне тесіктер мен ойыстар жасаудың қажетті құралы болып саналады. CNC бұрғылау желілері әдетте элементті бұрғылауға қолайлы жағдайға келтіру үшін конвейерлік жүйелермен және позициялық сенсорлармен жабдықталады, сондай-ақ тесік немесе ойық қай жерде кесілуі керек екенін анықтау үшін зондтау мүмкіндігіне ие. Өлшемді (пластина емес) элементтердегі бейретсіз тесіктерді немесе біркелкі емес жиектерді кесу үшін көбінесе кесу оттығы қолданылады. Окси-ацетилен оттықтары ең көп таралған технология болып табылады, олар қарапайым қолмен ұсталатын оттықтардан бастап, машинаға бағдарламаланған кесу нұсқауларына сәйкес құрылымдық элементтің айналасында оттық басын жылжытатын автоматтандырылған CNC кесу машиналарына дейін жетеді. Жазық плиталарды өңдеу плита өңдеу орталығында жүзеге асырылады, онда плита стационарлық "үстелге" орналастырылады және әртүрлі кесу бастары порталдық немесе "көпір" конструкциясы арқылы плита бойымен қозғалады. Кесу бастарына ұңғы, бұрғы немесе оттық кіре алады.