Zalety konstrukcji stalowych:
- wysoka wytrzymałość na rozciąganie, ściskanie i zginanie, oraz duŜa
wytrzymałość na ścinanie, dzięki czemu zuŜywa się niewielkie ilości materiału,
- jednorodność struktury i niezmienność właściwości mechanicznych w czasie ( moŜliwość bardzo dokładnego obliczania i wykorzystania konstrukcji),
- stal jako materiał odpowiada dobrze załoŜeniom, na ktorych oparte są hipotezy wytrzymałościowe i metody wymiarowania,
- niezawodność pracy – wyroby wykonywane są w wyspecjalizowanych zakładach przemysłowych pod fachową kontrolą, co daje gwarancję wysokiej jakości wyrobow i konstrukcji,
- niewielka masa konstrukcji, dzięki duŜej wytrzymałości,
- wygoda w transporcie i montaŜu konstrukcji,
- wykonawstwo i montaŜ są moŜliwe prawie niezaleŜnie od pory roku i warunkow klimatycznych, co zapewnia szybkie tempo budowy,
- moŜliwość znacznego uprzemysłowienia produkcji,
- konstrukcje stalowe łatwo wzmacniać i przerabiać, rozbiorka konstrukcji, w razie uszkodzenia budowli lub zakończenia jej eksploatacji, odbywa się szybko i nie przysparza zbyt wiele trudności. Elementy rozbiorkowe moŜna stosować powtornie, lub stanowią one cenny surowiec do produkcji nowych wyrobow stalowych.
Konstrukcje stalowe mają teŜ, niestety wady:
- wraŜliwość na korozję,
- mała odporność na wysoką temperaturę i ogień,
- słabe parametry akustyczne,
- wysoka cena materiału,
- niektore gatunki stali cechuje ponadto wraŜliwość na obciąŜenia udarowe, zmęczenie od obciąŜeń dynamicznych, oraz kruchość elementow w niskich temperaturach. Wady te moŜna moŜna, częściowo ograniczyć lub wyeliminować odpowiednim doborem gatunku
stali lub zwiększonymi wymaganiami ochrony przeciwpoŜarowej.
Rodzaje konstrukcji stalowych stosowanych w budownictwie
1. Konstrukcje prętowe, ktorych konstrukcją nośną jest szkielet prętowy, zaś
podstawowymi częściami są elementy pełnościenne lub kratowe, takie jak słupy, belki, łuki.
Mają one zastosowanie jako:
- szkielety budynkow przemysłowych, takich jak hale jedno lub wielonawowe przemysłowe, magazynowe, wiaty (wraz z belkami podsuwnicowymi, pomostami roboczymi), itp.
- przekrycia dachowe o duŜych rozpiętościach i inne elementy konstrukcyjne w obiektach uŜyteczności publicznej, takich jak hale sportowe, wystawowe i dworcowe, hangary, sale teatralne i kinowe, itp.
- szkielety konstrukcyjne budynkow wielokondygnacyjnych,
- mosty drogowe i kolejowe, kładki dla pieszych,
- konstrukcje specjalne – maszty i wieŜe radiowe i telewizyjne, telefonii komorkowej, konstrukcje wsporcze kolei linowych, słupy elektrycznych linii przesyłowych, estakady itp.
2. Konstrukcje wiszące, w ktorych zamiast sztywnych elementow stosowane są cięgna w postaci drutow, lin, łańcuchow. Konstrukcje takie stosuje się w przypadku przekryć o duŜych rozpiętościach, mostow itp.
3. Konstrukcje z blach stalowych w postaci płyt i powłok, mające zastosowanie w zbiornikach na ciecze i gazy, silosach, kominach, rurociągach.
Procesy wytwarzania stali
• Stal jest to stop Ŝelaza (Fe) z węglem (C) i innymi pierwiastkami, otrzymywany w procesach stalowniczych, obrabiany plastycznie.
• Maksymalna zawartość węgla w stali wynosi 2%. W budownictwie stosuje się stale o zawartości węgla od 0,2 do 0,7%, przy czym w stalach na konstrukcje ilość węgla nie przekracza 0,3%.
• Masowa technologia produkcji stali polega na dwustopniowym przerobie rudy Ŝelaza na stal surową.
• Rudy Ŝelaza:
- magnetyt Fe3O4 o zawartości Fe 45 – 70% tlenki bezwodne
- hematyt Fe2O3 o zawartości Fe 30 – 64% tlenki bezwodne
- limonit 2Fe2O33H2O o zawartości Fe 25 – 45% uwodniony tlenek Ŝelaza
- syderyt FeCO3 o zawartości Fe 30 – 40% węglany
• W pierwszej fazie przerobu w wielkim piecu następuje redukcja Ŝelaza jako pierwiastka ze związkow rud i oddzielenie go od tzw. skały płonnej. Produktem jest surowka Ŝelaza.
• W drugim etapie w piecach martenowskich, piecach elektrycznych lub konwertorach tlenowych usuwane są z surowki domieszki do granic wymaganych, i zanieczyszczenia do granic dopuszczalnych.Proces ten odbywa się w warunkach utleniających, a produktem procesu jest stal.
• Schemat pełnego cyklu hutniczego pokazano na slajdzie.
Proces ciągłego odlewania stali (80-90% przerobki stali)
• Nowoczesny proces ciągłego odlewania stali eliminuje konieczność odtleniania stali.
• Proces składa się z szeregu operacji, od ktorych zaleŜy jakość odlanego wlewka ciągłego
• Ciekła stal z kadzi odlewniczej po otwarciu wylewu napełnia kadź pośrednią, z ktorej podawana jest do krystalizatorow, ktore intensywnie chłodzone są wodą
• Stal w krystalizatorach, krzepnie na ich ściankach i głowicy urządzenia startowego.
• Gdy poziom stali nad tą głowicą osiągnie wysokość 300 – 400 mm, uruchamia się rolki ciągnące oraz mechanizm oscylacji krystalizatora.
Technologia wytwarzania połwyrobow i wyrobow stalowych
• Podstawowym procesem przerobki plastycznej jest walcowanie. RozroŜnia się walcowanie na gorąco, przy ktorym następuje wzrost twardości materiału walcowanego i walcowanie na zimno, powodujące wystąpienie tzw. zgniotu.
• Walce mogą być gładkie, słuŜące do wyrobu blach i bruzdowe z odpowiednimi bruzdami, ktore nadają wyrobom walcowanym Ŝądany kształt przekroju poprzecznego
• Materiałem wyjściowym do wytwarzania połwyrobow i wyrobow są wlewki stalowe, otrzymywane z procesow stalowniczych. Wlewki podgrzewa się do temperatury zwykle 950oC i walcuje się na zgniataczu, otrzymując połwyroby o przekroju kwadratowym lub prostokątnym (kęsy i kęsiska – bloki o przekroju 140 x 140mm lub grubości 80 – 120 mm, oraz tuleje o przekroju pierścieniowym). Po przewalcowaniu kaŜdy połwyrob kieruje się na
noŜyce, gdzie odcina się końce zawierające zanieczyszczenia.
• Walcowanie połwyrobow na walcarkach gładkich lub bruzdowych - otrzymuje się w ten sposob: pręty, kształtowniki, blachy, rury. Następnie wyroby prostuje się, tnie na części, sprawdza wymiary i jakość.
• Przeciąganie – obrobka plastyczna na zimno, gdzie walcowany pręt stalowy przeciąga się przez otwor ciągadła o wymiarach nieco mniejszych. Tą metodą wyrabia się druty, pręty i rury cienkościenne o dokładnych wymiarach.
• Kształtowanie na zimno – profile cienkościenne produkuje się na giętarkach,
krawędziarkach, prasach do gięcia. Do produkcji profili cienkościennych stosuje się blachy
walcowane na zimno o dobrych właściwościach mechanicznych i grubości od 1,5 do 5,0 mm.
W budownictwie stosuje się stal niestopową (węglową) i stal stopową.
• Stal niestopowa – węglowa, w której głównym składnikiem obok Ŝelaza jest
węgiel. Stal ta dzieli się na:
- stal wysokowęglową C > 0,6% (powyŜej 2.11% - Ŝeliwo)
- stal średniowęglową 0,25% < C ≤ 0,6%
- stal niskowęglową C ≤ 0,25% (zalecana w PN-90/B-03200)
Stal niestopowa konstrukcyjna – wg PN-90/B-03200
Stal niestopowa (niskowęglowa) zwykłej jakości ogólnego przeznaczenia
jest najczęściej ze wszystkich stali stosowana w stalowych konstrukcjach
budowlanych. W tablicy na slajdzie, a takŜe w PN-90/B-03200 zestawiono
róŜne rodzaje stali stosowanych w budownictwie z podaniem właściwości
mechanicznych i wytrzymałościowych tych stali.
Stal gatunku StOS – nie ma gwarantowanej granicy plastyczności i jest
dostarczana tylko jako nieuspokojona.
Stal gatunków St3 i St4 dostarczana jest w trzech odmianach S, V i W
o jednakowych właściwościach wytrzymałościowych (dla danego gatunku),
lecz coraz wyŜszej jakości. Zawartość węgla przedstawia się następująco:
St3S < 0,22% St4S < 0,25%
St3V < 0,20% St4V < 0,22%
St3W < 0,17% St4W < 0,20%
Ostatnie odmiany W mają ponadto zmniejszoną zawartość siarki i fosforu o
0,005%. Ograniczenie zawartości składników stopowych polepsza
spawalność tych stali i zmniejsza ich skłonność do kruchego pękania.
Drugim czynnikiem róŜniącym stale niskowęglowe pod względem jakości
jest stopień uspokojenia odmian S i V. Te odmiany produkuje się jako stal:
- nieuspokojoną (oznaczenie X)
- półuspokojoną (oznaczenie Y)
- uspokojoną (bez znaku)
Stal gatunku St4 ma lepsze właściwości wytrzymałościowe o około 10% w
porównaniu ze stalą gatunku St3, ale z kolei charakteryzuje się nieco niŜszą
plastycznością.
Stal niskostopowa konstrukcyjna
Gatunki stali oznaczone są symbolami wskazującymi na ich zasadniczy
skład chemiczny.
System oznaczeń (wg PN-90/B-03200) stali stopowych nie jest jednolity.
Znak tych stali składa się z liczb i liter.
Liczby oznaczają procentową zawartość węgla w stali i pierwiastków
stopowych, litery zaś zawarte w stali składniki stopowe.
Symbolika waŜniejszych pierwiastków jest następująca:
N – nikiel, H – chrom, S – krzem, W – wolfram, G – mangan, V – wanad,
J – aluminium, Nb – niob, Cu – miedź, P – fosfor.
Liczba na początku znaku określa średnią zawartość węgla w setnych
procentach, liczby po literach zaś wskazują na przeciętną zawartość
pierwiastka stopowego wyraŜoną w procentach.
Brak liczby po literze oznacza, Ŝe jego zawartość w stali nie przekracza
1,5%.
Stale stopowe produkowane są zwykłej i wyŜszej jakości.
Stal wyŜszej jakości oznacza się dodając na końcu znaku literę A.
W normie PN-90/B-03200:
- stal niskostopowa 18G2, o podwyŜszonej wytrzymałości (oznacza 0,18%
węgla, G2 - zwiększona zawartość manganu 1-2%),
- 18G2A (stal wyŜszej jakości, odtleniona aluminium, o zwiększonej
odporności na starzenie i kruche pękanie)
- 18G2AV (stal wyŜszej jakości, zawierająca domieszkę wanadu
0,05 – 0,20%, który zwiększa spręŜystość, wytrzymałość i udarność stali)
Stal do produkcji rur
Stal węglowa grupy R uŜywana jest do produkcji rur; charakteryzuje się
zmniejszoną zawartością węgla i manganu, co podwyŜsza jej właściwości
plastyczne.
Ze stali tej wykonuje się rury ogólnego przeznaczenia, najczęściej rury bez
szwu.
W budownictwie stosowane są rury z gatunków R, R35, R45.
Stal o znaku R ma cechy zbliŜone do stali St0S, której właściwości
mechaniczne nie są sprawdzane przez producenta i nie są zalecane do
stosowania na elementy konstrukcyjne.
Stal R35 ma cechy zbliŜone do stali St3S, a nieco lepsza stal R45 - cechy
zbliŜone do cech stali St4V.
Do wykonywania rur stosuje się takŜe stal 12X.
Jest to stal węglowa nieuspokojna o właściwościach wytrzymałościowych
zbliŜonych do stali St3SX.
Ze stali 12X produkuje się rury ze szwem lub zgrzewane.
• Stal stopowa jest to taka stal, która oprócz Ŝelaza i węgla zawiera inne
składniki, dodawane w celu uzyskania potrzebnych właściwości stali.
Stal uwaŜa się za stopową, jeśli zawartość przynajmniej jednego z
następujących pierwiastków jest większa od:
1,65%-Mn (mangan); 0,5%-Si (krzem); 0,4%-Cu (miedź);
0.40 – Pb (ołów); 0,3%-Cr (chrom); 0,3%-Ni (nikiel);
0,1%-Al (glin); 0,1%-Co (kobalt); 0,1%-V (wanad);
0.1% - W (wolfram); 0.1% - Te (tellur); 0.1% - Se (selen)
0.1% - Bi (bizmut); 0,08% - Mo (molibden); 0.06% - Nb (niob)
0,05% - La (lantan); 0.05% - Ti (tytan); 0.05% - Zr (cyrkon);
0.0008% - B (bor)
Dodatkowo mogą występować P (fosfor), S (siarka) – po 0.05%;
N (azot) - ilości śladowe ~0.01%
Stal stopowa dzieli się na:
- stal wysokostopową, gdy suma składników stopowych jest wyŜsza od 5%,
- stal średniostopową, gdy suma tych składników mieści się w granicach od
1,5 do 5%,
- stal niskostopową, gdy suma składników jest niŜsza od 1,5%.
• W budowlanych konstrukcjach stalowych obecnie najczęściej stosuje się
następujące grupy stali:
- stal niestopową konstrukcyjną,
- stal niskostopową konstrukcyjną,
- stal do produkcji rur,
- stal trudno rdzewiejącą, o zwiększonej odporności na korozję
• Grupy i gatunki stali stosowane w konstrukcjach stalowych wg PN-90/B-
03200 wraz ze składem chemicznym zestawiono w tablicy.
• Dodatki stopowe, w tym przedstawione w tablicy, mają istotny wpływ
zarówno na strukturę stali, jak i na właściwości mechaniczne.
Wymagania dla stali
- ciągliwość -odpowiedni stosunek fu/fy ≥ 1.1(wytrzymałość/granica plastyczności),
- wydłuŜenie przy zniszczeniu próbki normowej ≥ 15%, - odkształcenie przy zniszczeniu eu ≥ 15ey (ey =fy/E – odkształcenie przy uplastycznieniu);
Stale ujęte w normie spełniają powyŜsze warunki.
- udarność - materiał powinien wykazywać odpowiednią udarność aby unikać
kruchego pękania elementów rozciąganych w niskich temperaturach.
- ciągliwość międzywarstwowa - wymagana dla konstrukcji, w których istotny jest ten parametr – informacje na ten temat są podane w PN-EN-1993-1-10
Metoda napręŜeń dopuszczalnych
• Jest jedną z najstarszych metod wymiarowania.
• Metoda ta zakładała spełnienie trzech podstawowych warunków:
wytrzymałości, stateczności i sztywności, na których zazwyczaj opierają się
metody wymiarowania.
• ZałoŜenia metody:
- poza granicą plastyczności Re stal nie moŜe pracować, gdyŜ wiąŜe się to
ze zbyt duŜymi odkształceniami
- napręŜenia dopuszczalne k są równe części granicy plastyczności
k = Re/n, stąd n = Re/k, gdzie n = współczynnik bezpieczeństwa-pewności
- Re ustalano na podstawie badań statystycznych, prób wytrzymałościowych
- współczynnik bezpieczeństwa n uwzględniał:
- właściwości mechaniczne stali
- niektóre parametry i właściwości wyrobów
- rodzaj obciąŜenia (w ograniczonym zakresie)
Metoda dopuszczała stosowanie dwóch rodzajów napręŜeń
dopuszczalnych:
- napręŜeń I rodzaju kI dla nI = 1,64 (obciąŜenia zasadnicze – stałe,
zmienne długotrwałe i jedno zmienne krótkotrwałe)
- napręŜeń II rodzaju kII dla nII = 1,42 (obciąŜenie zasadnicze i dodatkowe,
tj. wszystkie obciąŜenia)
• Nośność elementu warunkowały:
- wytrzymałość
- stateczność (miejscowa, ogólna)
- sztywność (ugięcie) f ≤ fdop.
• Wszystkie warunki sprawdzano dla obciąŜeń normowych
(charakterystycznych)
Metoda stanów granicznych
• Półprobalistyczna metoda wymiarowania, polegająca na sprawdzeniu dwóch
stanów granicznych:
- stanu granicznego nośności - SGN
- stanu granicznego uŜytkowania - SGU
• Po przekroczeniu tych stanów konstrukcja ulega zniszczeniu lub przestaje
odpowiadać załoŜonym wymaganiom uŜytkowym.
• Ocenę probabilistyczną przy podejściu statystycznym przeprowadza się na
podstawie znajomości rozkładów prawdopodobieństw takich losowych
wielkości, jak:
- właściwości mechaniczne materiałów,
- wymiary przekrojów wyrobów,
- imperfekcje w zagadnieniach stateczności,
- obciąŜenia konstrukcji.
• Objawami przekroczenia I stanu granicznego (SGN) są:
- utrata stateczności spręŜystej lub spręŜysto-plastycznej,
- narastanie odkształceń trwałych i przekształcenie konstrukcji w mechanizm
kinematyczny,
- uszkodzenia (pęknięcia) uniemoŜliwiające normalną eksploatację wskutek
...
ossad