Холодногнутая сталь

Холоднокатаная сталь ( CFS ) — это общий термин для стальных изделий, формованных в результате процессов холодной обработки , выполняемых при комнатной температуре, таких как прокатка , прессование , штамповка , гибка и т. д. Прутки и листы из холоднокатаной стали ( CRS ) широко используются во всех сферах производства. Эти термины противопоставляются стали горячей штамповки и стали горячекатаной .

Холодноформованная сталь, особенно в виде тонких листов, обычно используется в строительной отрасли для изготовления структурных и ненесущих элементов, таких как колонны, балки, балки, стойки, настилы пола, сборные секции и другие компоненты. Такое использование становится все более популярным в США с момента их стандартизации в 1946 году.

Здание из холодногнутой стали

Холоднокатаные стальные элементы также используются в мостах, стеллажах для хранения, зерновых бункерах , кузовах автомобилей, железнодорожных вагонах, дорожных изделиях, опорах электропередач, опорах электропередач, дренажных сооружениях, огнестрельном оружии, различных типах оборудования и других. Эти типы профилей подвергаются холодной штамповке из стального листа, полосы, пластины или полосового проката на профилегибочных машинах, с помощью листогибочного пресса ( машинного пресса ) или операций гибки. Толщина материала таких тонкостенных стальных элементов обычно составляет от 0,0147 дюйма (0,373 мм) до примерно ¼ дюйма (6,35 мм). Стальные пластины и стержни толщиной до 1 дюйма (25,4 мм) также могут быть успешно подвергнуты холодной штамповке в конструкционные профили (AISI, 2007b).

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 принятие холоднодеформированной стали в качестве строительного материала все еще было ограничено, поскольку не было адекватных стандартов проектирования и ограниченной информации об использовании материалов в строительных нормах. Одним из первых задокументированных случаев использования холоднодеформированной стали в качестве строительного материала является Баптистская больница Вирджинии. построен примерно в 1925 году в Линчберге, штат Вирджиния. Стены представляли собой несущую каменную кладку, а система пола была обрамлена двойными швеллерами с кромками из холодногнутой стали, соединенными спиной к спине. По словам Чака Грина, PE из Nolen Frisa Associates, Согласно современным методам анализа, балки были способны выдержать первоначальные нагрузки и пролеты. Грин спроектировал недавнюю реконструкцию конструкции и сказал, что по большей части балки все еще работают хорошо. Наблюдение за объектом во время ремонта 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 были изготовлены из холодногнутой стали.

История стандартов проектирования AISI

Стандарты проектирования горячекатаной стали (см. Конструкционная сталь ) были приняты в 1930-х годах, но не были применимы к холоднокатаным профилям из-за их относительно тонких стальных стенок, которые были подвержены короблению. Холоднокатаные стальные элементы сохраняют постоянную толщину по всему поперечному сечению, тогда как горячекатаные профили обычно имеют конусность или скругления. Холоднокатаная сталь позволяла создавать формы, которые сильно отличались от классических горячекатаных форм. Материал был легко обрабатываем; 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 устойчивости и прочностных характеристик. Также было замечено, что тонкие стены подвергались локальному короблению при небольших нагрузках в некоторых секциях и что эти элементы были способны выдерживать более высокие нагрузки даже после локального коробления элементов.

В Соединенных Штатах первое издание «Спецификаций по проектированию элементов конструкций из легкой стали» было опубликовано Американским институтом железа и стали (AISI) в 1946 году (AISI, 1946). Первая спецификация расчета допустимого напряжения (ASD) была основана на исследовательской работе, спонсируемой AISI в Корнелльском университете под руководством покойного профессора Джорджа Винтера [2] с 1939 года. В результате этой работы Джордж Винтер теперь считается дедушкой конструкции из холодногнутой стали. Спецификация ASD впоследствии пересматривалась в 1956, 1960, 1962, 1968, 1980 и 1986 годах, чтобы отразить технические разработки и результаты продолжающихся исследований в Корнелле и других университетах (Yu et al., 1996). В 1991 году AISI опубликовала первое издание Спецификации расчета коэффициентов нагрузки и сопротивления, разработанной в Университете науки и технологий Миссури и Вашингтонском университете в Сент-Луисе под руководством Вэй-Вэнь Ю [3] и Теодора В. Галамбоса (AISI, 1991). Спецификации ASD и LRFD были объединены в одну спецификацию в 1996 году (AISI, 1996).

было разработано первое издание Североамериканских спецификаций по проектированию холодногнутых стальных несущих элементов. В 2001 году совместными усилиями Комитета по спецификациям AISI и Технического комитета Канадской ассоциации по стандартизации (CSA) по холодноформованным стальным конструктивным элементам и Camara Nacional de la Industria del Hierro y del Acero (CANACERO) в Мексике (AISI, 2001). Он включал методы ASD и LRFD для США и Мексики, а также метод расчета предельных состояний (LSD) для Канады. Эта североамериканская спецификация была аккредитована Американским национальным институтом стандартов ( ANSI ) в качестве стандарта ANSI, заменяющего собой 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 положения проектирования 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 опубликовал комментарии к различным изданиям спецификаций, руководства по проектированию, стандарты проектирования каркаса, различные руководства по проектированию и средства проектирования для использования холоднодеформированной стали. Подробную информацию см. на веб-сайте AISI [4] .

Международные кодексы и стандарты

В США, Мексике и Канаде используются Североамериканские спецификации по проектированию стальных конструктивных элементов холодной штамповки, номер документа AISI S100-2007. Государства-члены Европейского Союза используют раздел 1-3 Еврокода 3 (EN 1993) для проектирования холодногнутых стальных элементов. В других странах используются различные проектные спецификации, многие из которых основаны на AISI S-100, принятых строительными нормами, перечисленными ниже. Другой список международных норм и стандартов для холоднодеформированной стали поддерживается (и может редактироваться с разрешения) в разделе « Кодексы по холоднодеформированной стали во всем мире» .

Африка

Эфиопия Строительные нормы и правила:EBCS-1 Основы проектирования и воздействия на конструкцииEBCS-3 Проектирование металлоконструкций

Америка

Соединенные Штаты Спецификация: Североамериканские спецификации по проектированию стальных конструктивных элементов холодной штамповки, номер документа AISI S100-2007, опубликованные Американским институтом железа и стали в октябре 2007 года.Строительный кодекс: IBC и/или NFPA могут применяться, но оба ссылаются на AISI S100.

Канада Спецификация: Североамериканские спецификации по проектированию стальных конструктивных элементов холодной штамповки, номер документа CAN/CSA S136-07, опубликованные Канадской ассоциацией стандартов .Строительный кодекс: Национальный строительный кодекс Канады — это типовой кодекс, принятый с поправками, внесенными отдельными провинциями и территориями. Федеральное правительство находится за пределами юрисдикции властей провинции/территории, но обычно подчиняется требованиям законодательства провинции/территории места строительства.

Бразилия Спецификация: NBR 14762:2001 Проектирование стальных конструкций из холоднодеформированных профилей – Процедура (Проектирование холоднодеформированной стали – Процедура, последнее обновление 2001 г.) и NBR 6355:2003 Холодноформованные конструкционные стальные профили – Стандартизация (Холодногнутая сталь) структурные профили, последнее обновление 2003 г.)Строительные нормы и правила: ABNT – Бразильская ассоциация технических стандартов (www.abnt.org.br).

Чили NCH ​​427 - приостановлен, поскольку был написан в 1970-х годах. Холоднокатаные стальные профили частично изготавливались на основе AISI (США). В последних Кодексах сейсмического проектирования местный Институт строительства указал, что проектировщики должны использовать последнее издание спецификации AISI для холоднокатаной стали и AISC для горячекатаной стали в их оригинальных версиях на английском языке до тех пор, пока не будет выпущена какая-либо искажённая адаптация. здесь .

Аргентина CIRSOC 303 для легких стальных конструкций, в состав которых входит холоднодеформированная 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, сейчас CIRSOC 301 находится в стадии революции, чтобы привести его в соответствие с американскими нормами (дизайн LRFD). В ближайшее время оба кодекса будут приведены в соответствие также по обозначениям и терминологии.

Азия

Филиппины Национальный структурный кодекс Филиппин, 2010 г., Том 1. Здания, башни и другие вертикальные конструкции, глава 5, часть 3. Проектирование холодногнутых стальных несущих элементов основано на стандарте AISI S100-2007.

Индия Спецификация: IS:801 и IS:811, Индийский стандартный свод правил использования холоднодеформированных элементов конструкций из легкой стали в общем строительстве зданий, Бюро индийских стандартов, Нью-Дели (1975). (сейчас на доработке)Строительные нормы и правила: см. код модели Национальный строительный кодекс Индии.

Китай Спецификация: Технический кодекс холоднодеформированных тонкостенных стальных конструкцийСтроительный кодекс: GB 50018-2002 (текущая версия).

Япония Спецификация: Руководство по проектированию легких стальных конструкцийСтроительные нормы и правила: Уведомление о технических стандартах № 1641 относительно легких стальных конструкций.

Малайзия Малайзия использует британский стандарт BS5950, особенно BS5950: Часть 5; Также упоминается AS4600 (из Австралии).

Европа

Страны ЕС Спецификация: EN 1993-1-3 (то же, что Еврокод 3, часть 1-3), Проектирование стальных конструкций. Тонкие элементы и листы холодной штамповки. Каждая европейская страна получит свои собственные национальные документы-приложения (NAD).

Германия Спецификация: Немецкий комитет по стальным конструкциям (DASt), DASt-Guidelines 016: 1992: Расчет и проектирование конструкций с тонкостенными холоднодеформированными элементами; На немецком языкеСтроительные нормы и правила: EN 1993-1-3: 2006 (Еврокод 3, часть 1-3): Проектирование стальных конструкций. Общие правила. Дополнительные правила для холоднодеформированных элементов и листов; Немецкая версияprEN 1090 2: 2005 (prEN 1090 Часть 2; Проект): Выполнение стальных конструкций и алюминиевых конструкций. Технические требования к выполнению стальных конструкций; Немецкая версияEN 10162: 2003: Холоднокатаные стальные профили. Технические условия поставки. Допуски по размерам и сечению; Немецкая версия

Италия Спецификация:UNI CNR 10022 (Национальный документ)EN 1993-1-3 (не обязательно)

Великобритания Еврокод для холоднодеформированной стали в Великобритании. BS EN 1993-1-3:2006: Еврокод 3. Проектирование стальных конструкций. Общие правила.

Океания

Австралия Спецификация: АС/НЗС 4600AS/NZS 4600:2005 Аналогичен NAS 2007, но включает высокопрочные стали, такие как G550, для всех сечений. (Грег Хэнкок)Строительный кодекс: Строительный кодекс Австралии (национальный документ) называет AS/NZS 4600:2005.

Новая Зеландия Спецификация: AS/NZS 4600 (такой же, как в Австралии)

Общие профили секций и приложения

В строительстве зданий используются в основном два типа конструкционной стали: горячекатаные стальные профили и холоднокатаные стальные профили. Горячекатаные стальные профили формуются при повышенных температурах, тогда как холоднокатаные стальные профили формируются при комнатной температуре. Стальные конструктивные элементы холодной штамповки представляют собой профили, обычно изготавливаемые из стальных пластин, листового металла или полосового материала. Производственный процесс включает формование материала путем прессования или холодной прокатки для достижения желаемой формы.

Когда сталь формуют прессованием или холодной прокаткой, происходит изменение механических свойств материала вследствие холодной обработки металла. Когда стальной профиль подвергают холодной штамповке из плоского листа или полосы, предел текучести и, в меньшей степени, предел прочности увеличиваются в результате такой холодной обработки, особенно на изгибах профиля.

Некоторые из основных свойств холоднодеформированной стали следующие:

• Легкость по весу
• Высокая прочность и жесткость
• Простота заводского изготовления и массового производства
• Быстрый и простой монтаж и установка
• Существенное устранение задержек из-за погодных условий
• Более точная детализация
• Не дает усадки и не ползет при температуре окружающей среды.
• Опалубка не нужна
• Устойчивость к термитам и гниению
• Равномерное качество
• Экономия при транспортировке и погрузочно-разгрузочных работах
• Негорючий
• Перерабатываемый материал
• Панели и настилы могут представлять собой закрытые ячейки для трубопроводов.

---

Широкая классификация холодногнутых профилей, используемых в строительной отрасли, может быть сделана как отдельные элементы каркаса или панели и настилы.

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 пространственных ферм
• Бескаркасные конструкции с нагруженной обшивкой: гофрированные листы или профили листов с усиленными краями используются для небольших конструкций с пролетом в свету до 30 футов без внутреннего каркаса.

• 
  Террасная доска CFS
• 
  прогоны CFS
• 
  CFS X-образная стеновая система
• 
  Соединение стойки CFS/балочной стены

Спецификация AISI позволяет использовать сталь, соответствующую следующим спецификациям ASTM, указанным в таблице ниже:

Обозначение стали	Обозначение ASTM	Продукт	Предел текучести Fy (тысячи фунтов на квадратный дюйм)	Предел прочности на разрыв Fu (ksi)	Был / Мой	Минимальное удлинение (%) при 2 дюймах. Длина калибра
Углеродистая конструкционная сталь	А36		36	58-80	1.61	23
	А36		50	70	1.4	21
Высокопрочная низколегированная конструкционная сталь	А242		46	67	1.46	21
Листы из углеродистой стали низкой и средней прочности на разрыв	А283
	А		24	45-60	1.88	30
	Б		27	50-65	1.85	28
	С		30	55-75	1.83	25
	Д		33	60-80	1.82	23
Холодноформованные сварные и бесшовные конструкционные трубы из углеродистой стали круглого и фасонного сечения.	А500	Круглые трубы
	А		33	45	1.36	25
	Б		42	58	1.38	23
	С		46	62	1.35	21
	Д		36	58	1.61	23
		Форма трубки
	А		39	45	1.15	25
	Б		46	58	1.26	23
	С		50	62	1.24	21
	Д		36	58	1.61	23
Высокопрочная углеродисто-марганцевая сталь	А529 Гр. 42		42	60-85	1.43	22
	А529 Гр. 50		50	70-100	1.40	21
Листы и полосы из углеродистой стали горячекатаные конструкционного качества.	А570
	гр. 30		30	49	1.63	21
	гр. 33		33	52	1.58	18
	гр. 36		36	53	1.47	17
	гр. 40		40	55	1.38	15
	гр. 45		45	60	1.33	13
	гр. 50		50	65	1.30	11
Высокопрочные низколегированные колумбий-ванадиевые стали конструкционного качества.	А572
	гр. 42		42	60	1.43	24
	гр. 50		50	65	1.30	21
	гр. 60		60	75	1.25	18
	гр. 65		65	80	1.23	17
Высокопрочная низколегированная конструкционная сталь с минимальным пределом текучести 50 тысяч фунтов на квадратный дюйм.	А588		50	70	1.40	21
Листы и полосы из низколегированной стали горячекатаные и холоднокатаные повышенной прочности с повышенной коррозионной стойкостью.	А606	Горячекатаный прокат по длине отреза	50	70	1.40	22
		Горячекатаный в рулонах	45	65	1.44	22
		Горячекатаный отожженный	45	65	1.44	22
		Холоднокатаный	45	65	1.44	22
Горячекатаные и холоднокатаные листы и полосы из высокопрочной низколегированной колумбийской и/или ванадиевой стали.	А607 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)
	А607 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)
Холоднокатаный лист из углеродистой конструкционной стали	А611
	А		25	42	1.68	26
	Б		30	45	1.50	24
	С		33	48	1.45	22
	Д		40	52	1.30	20
Стальной лист с цинковым или железоцинковым покрытием.	А653 СС
	гр. 33		33	45	1.36	20
	гр. 37		37	52	1.41	18
	гр. 40		40	55	1.38	16
	50 1 класс		50	65	1.30	12
	50 3 класс		50	70	1.40	12
	HSLAS Тип А
	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
Листы и полосы из низколегированной стали горячекатаные и холоднокатаные повышенной прочности с улучшенной формуемостью.	А715
	гр. 50		50	60	1.20	22
	гр. 60		60	70	1.17	18
	гр. 70		70	80	1.14	14
	гр. 80		80	90	1.13	12
Стальной лист, на 55% покрытый алюминиево-цинковым сплавом методом горячего погружения	А792
	гр. 33		33	45	1.36	20
	гр. 37		37	52	1.41	18
	гр. 40		40	55	1.38	16
	гр. 50А		50	65	1.30	12
Холодногнутые сварные и бесшовные высокопрочные низколегированные конструкционные трубы с повышенной стойкостью к атмосферной коррозии.	А847		50	70	1.40	19
Стальной лист, покрытый цинк-5% алюминиевым сплавом методом горячего погружения	А875 СС
	гр. 33		33	45	1.36	20
	гр. 37		37	52	1.41	18
	гр. 40		40	55	1.38	16
	50 1 класс		50	65	1.30	12
	50 3 класс		50	70	1.40	12
	HSLAS Тип А
	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 свойства напряжения-деформации

Основным свойством стали, которое используется для описания ее поведения, является график зависимости напряжения от деформации. Графики растяжения холоднодеформированного стального листа в основном делятся на две категории. Они относятся к резкому и постепенному типу текучести, показанным ниже на Рис. 1 и Рис. 2 соответственно.

Эти две кривые растяжения типичны для холоднодеформированного стального листа во время испытания на растяжение. Второй график представляет собой представление стального листа, который подвергся холодной обжатии (жесткой прокатке) в процессе производства, поэтому он не имеет предела текучести с плато текучести. Первоначальный наклон кривой может быть уменьшен в результате предварительных работ. В отличие от рис. 1, зависимость «напряжение-деформация» на рис. 2 отражает поведение отожженного стального листа. Для этого типа стали предел текучести определяется уровнем, на котором кривая растяжения-деформации становится горизонтальной.

Холодная штамповка приводит к увеличению предела текучести стали, причем это увеличение является следствием холодной обработки в диапазоне деформационного упрочнения. Это увеличение происходит в зонах, где материал деформируется при изгибе или работе. Можно предположить, что предел текучести был увеличен на 15% или более в расчетных целях. Значение предела текучести холоднокатаной 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 тысяч фунтов на квадратный дюйм (от 200 до 207 ГПа) . Значение 29 500 тысяч фунтов на квадратный дюйм (203 ГПа) рекомендовано AISI в спецификации для целей проектирования. Предел прочности стальных листов в секциях не имеет прямого отношения к конструкции этих элементов. Несущая способность холоднодеформированных стальных элементов на изгиб и сжатие обычно ограничивается пределом текучести или напряжениями продольного изгиба, которые меньше предела текучести стали, особенно для тех элементов сжатия, которые имеют относительно большие коэффициенты плоской ширины, и для элементов сжатия, имеющих относительно большие коэффициенты гибкости. Исключением являются болтовые и сварные соединения, прочность которых зависит не только от предела текучести, но и от предела прочности материала. Исследования показывают, что влияние холодной обработки формованных стальных элементов во многом зависит от разницы между пределом прочности и пределом текучести исходного материала.

Критерии пластичности

Пластичность определяется как «степень, в которой материал может выдерживать пластическую деформацию без разрушения». Она необходима не только в процессе формования, но также необходима для пластического перераспределения напряжений в элементах и ​​соединениях, где может возникнуть концентрация напряжений. Критерии пластичности и характеристики сталей с низкой пластичностью для холоднодеформированных элементов и соединений были изучены Дхаллой , Уинтером и Эррерой в Корнелльском университете . Было обнаружено, что измерение пластичности при стандартном испытании на растяжение включает локальную пластичность и равномерную пластичность. Локальная пластичность обозначается как локализованное удлинение в зоне возможного разрушения. Равномерная пластичность — это способность купона растяжения подвергаться значительным пластическим деформациям по всей длине до образования шейки. Это исследование также показало, что для исследуемых сталей с различной пластичностью удлинение на 2 дюйма. (50,8 мм) расчетная длина не коррелировала удовлетворительно ни с местной, ни с однородной пластичностью материала. Чтобы иметь возможность перераспределить напряжения в пластическом диапазоне, чтобы избежать преждевременного хрупкого разрушения и достичь полной прочности сечения в растянутом элементе с концентрацией напряжений, предлагается следующее:

• Минимальное местное удлинение стандартного образца натяжения, включая шейку, с расчетной длиной 1/2 дюйма (12,7 мм) должно составлять не менее 20%.
• Минимальное равномерное удлинение в 3 дюйма. (76,2 мм) расчетная длина минус удлинение на 1 дюйм. (25,4 мм), расчетная длина с шейкой и изломом должна составлять не менее 3%.
• Отношение предела прочности к пределу текучести Fu/Fy должно быть не менее 1,05.

Свариваемость

Свариваемость означает способность стали без затруднений свариваться в удовлетворительное, без трещин и прочное соединение в производственных условиях. Сварка возможна в холодногнутых стальных элементах, но она должна соответствовать стандартам AISI S100-2007, раздел E.

1. Если толщина меньше или равна 3/16 дюйма (4,76 мм):

Ниже приведены различные возможные сварные швы в холоднокатаных стальных профилях, в которых толщина самого тонкого элемента соединения составляет 3/16 дюйма или меньше.

• • Канавочные сварные швы в стыковых соединениях
  • Дуговая точечная сварка
  • Дуговые швы
  • Угловые сварные швы
  • Сварные швы с раструбными канавками

2. Если толщина больше или равна 3/16 дюйма (4,76 мм):

Сварные соединения, в которых толщина самой тонкой соединяемой дуги превышает 3/16 дюйма (4,76 мм), должны соответствовать стандарту ANSI/AISC-360 . Положения сварных швов указаны в соответствии с AISI S100-2007 (таблица E2a).

Минимальная толщина материала, рекомендуемая для сварных соединений

Приложение	в цеху или на местах Производство	Электродный метод	Рекомендуемая минимальная толщина CFS
CFS к конструкционной стали	Производство на местах	Ручная сварка	от 54 до 68 мил
CFS к конструкционной стали	Магазин-производство	Ручная сварка	от 54 до 68 мил
КВПБ в КВПБ	Производство на местах	Ручная сварка	от 54 до 68 мил
КВПБ в КВПБ	Производство на местах	Сварка MIG (металл в инертном газе) с подачей проволоки	от 43 до 54 мил
КВПБ в КВПБ	Магазин-производство	Сварка MIG (металл в инертном газе) с подачей проволоки	33 мил

Применение в зданиях

Холодногнутый стальной каркас

Стальной каркас холодной штамповки (CFSF) относится конкретно к элементам конструкции легких каркасов зданий, которые полностью изготовлены из листовой стали и имеют различные формы при температуре окружающей среды. Наиболее распространенной формой членов CFSF является канал с выступом, хотя использовались буквы «Z», «C», трубчатые, «шляпчатые» и другие формы и вариации. Элементами здания, которые чаще всего изготавливаются из холодногнутой стали, являются полы, крыши и стены, хотя другие строительные элементы, а также структурные и декоративные узлы могут иметь стальной каркас.

Хотя холоднодеформированная сталь используется для изготовления некоторых изделий в строительстве зданий, каркасные изделия отличаются тем, что они обычно используются для стоек стен, балок перекрытия, стропил и элементов ферм. Примеры холоднокатаной стали, которая не считается каркасом, включают металлическую кровлю, настил крыши и пола, композитный настил, металлический сайдинг, а также прогоны и пояса на металлических зданиях.

Элементы каркаса обычно располагаются на расстоянии 16 или 24 дюймов по центру, причем расстояние может варьироваться все ниже и выше в зависимости от нагрузок и покрытий. Стеновые элементы обычно представляют собой «шпильки» канала с вертикальными выступами, которые вставляются в секции «направляющих» канала без выступов сверху и снизу. Подобные конфигурации используются как для балок перекрытия, так и для стропил, но в горизонтальном исполнении для полов и в горизонтальном или наклонном исполнении для каркаса крыши. К дополнительным элементам каркасной системы относятся крепежи и соединители, раскосы и раскосы, зажимы и соединители.

В Северной Америке типы участников разделены на пять основных категорий, и номенклатура продуктов основана на этих категориях.

• S-образные элементы представляют собой каналы с выступами, которые чаще всего используются для стоек стен, балок пола, а также стропил потолка или крыши.
• Т-образные элементы представляют собой каналы без выступов, которые используются для верхних и нижних пластин (направляющих) в стенах, а также балок в системах перекрытий. Направляющие также образуют верхушки и подоконники окон и обычно закрывают верхнюю и нижнюю часть коробчатых или смежных заголовков.
• U-образные элементы представляют собой каналы без выступов, которые имеют меньшую глубину, чем направляющие, но используются для крепления элементов, а также для систем поддержки потолка.
• Элементы F представляют собой каналы «обшивки» или «шляпки», обычно используемые горизонтально на стенах или потолках.
• L-образные элементы представляют собой уголки, которые в некоторых случаях можно использовать для перемычек между проемами, чтобы распределять нагрузки на соседние стойки косяка.

В высотном коммерческом и многоквартирном жилом строительстве CFSF обычно используется для внутренних перегородок и поддержки наружных стен и облицовки. Во многих зданиях средней и малой этажности вся конструктивная система может быть обрамлена CFSF.

Здания из холоднокатаной стали производятся из предварительно оцинкованной рулонной стали. Это означает, что все компоненты холоднокатаной рамы имеют оцинкованную поверхность без необходимости дополнительного покрытия или покраски.

Соединители и крепежи в каркасе

Соединители используются в стальных конструкциях 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 так, чтобы оно отвечало заданным требованиям к производительности. Существует два основных типа соединения: фиксированное и допускающее движение (скользящее). Неподвижные соединения элементов каркаса не допускают перемещения соединяемых частей. Их можно найти в несущих стенах, навесных стенах, фермах, крышах и полах, несущих осевую нагрузку. Соединения, допускающие перемещение, предназначены для допуска отклонения основной конструкции в вертикальном направлении из-за временной нагрузки или в горизонтальном направлении из-за ветровых или сейсмических нагрузок, или как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях. Одним из применений соединения, допускающего вертикальное перемещение, является изоляция неосевых несущих стен (гипсокартона) от вертикальной динамической нагрузки конструкции и предотвращение повреждения отделки. Обычным зажимом для этого применения является L-образный зажим для верхней части стены для стен, которые являются заполнителем между этажами. Эти зажимы имеют прорези, перпендикулярные изгибу зажима. Еще одним распространенным зажимом является обходной зажим для стен, выходящих за край конструкции пола. Когда эти зажимы имеют L-образную форму, они имеют прорези, параллельные изгибу зажима. Если структура находится в активном состоянии В сейсмической зоне можно использовать соединения, допускающие вертикальные и горизонтальные перемещения, для компенсации как вертикального отклонения, так и горизонтального дрейфа конструкции.

Соединители можно прикреплять к холодноформованным стальным элементам и основной конструкции с помощью сварных швов, болтов или саморезов. Эти методы крепления признаны в Североамериканских спецификациях Американского института железа и стали (AISI) 2007 года по проектированию стальных конструктивных элементов холодной штамповки, глава E. Другие методы крепления, такие как клинч, механические крепежи (PAF), механические анкеры. , клеевые анкеры и конструкционный клей используются на основании испытаний производителя на основе эксплуатационных характеристик.

Горячекатаная и холоднокатаная сталь и влияние отжига

		Горячекатаный	Холоднокатаный
Свойства материала	Предел текучести	Материал не деформируется; в материале нет начальной деформации, поэтому текучесть начинается при фактическом значении текучести исходного материала.	За счет предварительной обработки (первоначальной деформации) предел текучести увеличивается на 15–30%.
	Модуль упругости	29000 тысяч фунтов на квадратный дюйм	29 500 тысяч фунтов на квадратный дюйм
	Вес единицы	Вес агрегата сравнительно огромен.	Он намного меньше.
	Пластичность	Более пластичный по своей природе.	Менее пластичный.
Дизайн		Большую часть времени мы рассматриваем только глобальное выпучивание элемента.	Необходимо учитывать локальную, дисторсионную и глобальную потерю устойчивости.
Основное использование		Несущие конструкции, обычно тяжелые несущие конструкции, где пластичность более важна (примеры сейсмоопасных зон)	Применение во многих различных случаях нагрузки. Сюда входят каркасы зданий, автомобили, самолеты, бытовая техника и т. д. Использование ограничено в тех случаях, когда предъявляются 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		Большой вес устройства увеличивает общие затраты – материалы, подъем, транспортировку и т. д. С ним сложно работать (например, подключение).	Низкий вес устройства сравнительно снижает стоимость. Простота конструкции (например, подключения).
Возможности исследования		В настоящее время на продвинутой стадии.	Больше возможностей, поскольку концепция относительно новая, а материал находит широкое применение.

Отжиг , также описанный в предыдущем разделе, является частью процесса производства холоднокатаного стального листа. Это метод термической обработки , который изменяет микроструктуру холоднокатаной стали для восстановления ее пластичности .

Альтернативные методы проектирования

Метод прямой прочности (DSM) — это альтернативный метод проектирования, описанный в Приложении 1 Североамериканских спецификаций по проектированию холоднокатаных стальных несущих элементов 2007 года (AISI S100-07). DSM может использоваться вместо Основной спецификации для определения номинальной емкости элементов. Конкретные преимущества включают отсутствие эффективной ширины и итераций при использовании только известных свойств общего сечения. Повышение достоверности прогноза происходит за счет принудительной совместимости между фланцами секций и стенкой во время анализа упругого выпучивания. Такое повышение точности прогнозирования для любой геометрии сечения обеспечивает прочную основу для рационального расширения анализа и способствует оптимизации сечения. Можно с уверенностью использовать либо DSM, либо основную спецификацию, поскольку коэффициенты Φ или Ω были разработаны для обеспечения точности обоих методов. В настоящее время DSM предоставляет решения только для балок и колонн, и для полного проектирования его необходимо использовать вместе с основной спецификацией.

Рациональный анализ разрешен при использовании оптимизированных форм в холодном виде, которые выходят за рамки основной спецификации и не прошли предварительную проверку для использования в DSM. В этих разделах без предварительной квалификации используются коэффициенты безопасности φ и Ω, связанные с рациональным анализом (см. AISI 2001, раздел A1.1 (b)). В результате рационального анализа умножения соответствующий коэффициент запаса будет использован в качестве расчетной прочности секции.

Может существовать несколько ситуаций, когда можно использовать приложение DSM для рационального анализа. В целом они включают: (1) определение значений упругого коробления и (2) использование уравнений DSM в Приложении 1 для определения номинальных изгибных и осевых нагрузок, Mn и Pn. Сама предпосылка DSM является примером рационального анализа. Он использует результаты упругого изгиба для определения предельной прочности с помощью эмпирических кривых прочности. Это дает проектировщикам метод проведения рационального анализа в ряде уникальных ситуаций.

В некоторых случаях расширение рационального анализа на DSM может быть таким же простым, как работа с наблюдаемым режимом потери устойчивости, который трудно идентифицировать, и вынесение суждения о том, как классифицировать этот режим. Но его также можно использовать, чтобы позволить инженеру учитывать эффекты градиентов моментов, влияние различных конечных условий или влияние деформации кручения на все режимы потери устойчивости.

В настоящее время в DSM нет положений, касающихся сдвига, деформации стенки, отверстий в элементах или увеличения прочности из-за холодной обработки давлением. Исследования по некоторым из этих тем уже завершены или находятся в стадии 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 с помощью DSM в целом, а не с использованием метода эффективной ширины спецификации, который разбивает поперечное сечение на несколько эффективных элементов. Один тонкий элемент приведет к низкой прочности при использовании DSM, чего нельзя сказать о текущем методе спецификации. Метод конечной полосы с использованием CUFSM является наиболее часто используемым подходом для определения упругих нагрузок, вызывающих потерю устойчивости. Программа также ограничивает DSM, поскольку отверстия не могут быть учтены, нагрузки должны быть равномерными вдоль элемента, учитываются только просто поддерживаемые граничные условия, а формы потери устойчивости взаимодействуют и в некоторых случаях их невозможно легко различить.

Внешние ссылки

Организации

• Американский институт железа и стали (AISI) [5]
• Ассоциация производителей стальных каркасов (SFIA) [6]
• Альянс стальных каркасов (SFA) [7]
• Ассоциация производителей стальных шпилек (SSMA) [8]
• Институт инженеров холоднодеформированной стали (CFSEI) [9]
• Совет по исследованию структурной устойчивости (SSRC) [10]
• Ассоциация производителей металлических строительных конструкций (MBMA) [11]
• Институт стальных балок (SJI) [12]
• Институт стальной палубы (SDI) [13]
• Институт переработки стали [14]

Другие связанные ссылки можно найти на следующих страницах:

• Стальные связи [15]
• Члены, компании-члены и ассоциации, являющиеся союзниками Ассоциации производителей стальных конструкций (SFIA) SFIA
• Члены, компании-члены и ассоциации, являющиеся союзниками CFSEI [16]
• Связи стального каркаса [17]
• Преимущества стального каркаса [18]