KONSTRUKCJE METALOWE I

Dr in

ż

. KATARZYNA RZESZUT

Politechnika Pozna

ń

ska

Instytut Konstrukcji Budowlanych

Normy

1. PN-90/B-03200: „Konstrukcje stalowe – Obliczenia

statyczne i projektowanie”;

,
1. PN-82/B-02001: „Obciążenia budowli. Obciążenia stałe”;

Wydawnictwa Normalizacyjne „ALFA” 1983,

2. PN-82/B-02003: „Obciążenia budowli. Obciążenia

zmienne technologiczne. Podstawowe obciążenia
technologiczne i montażowe.”; Wydawnictwa
Normalizacyjne „ALFA” 1983,

W technice stosujemy trzy postacie

ż

elaza:

Stal,
Staliwo

Ż

eliwo.

Stal i staliwo mog

ą

zawiera

ć

do 2,0% w

ę

gla

Ż

eliwo za

ś

2,2- 5,0% w

ę

gla.

Stal ró

ż

ni si

ę

tym od staliwa,

ż

e poddana została obróbce plastycznej (walcowanie, kłucie,

tłoczenie, przeci

ą

ganie), podczas gdy staliwo w odlewach mo

ż

e by

ć

poddane tylko obróbce

wiórowej (ci

ę

cie, toczenie, szlifowanie itp.).

Obróbka plastyczna wywołuje włóknist

ą

budow

ę

materiału w elemencie stalowym, co

zwi

ę

ksza wytrzymało

ść

i jednocze

ś

nie plastyczno

ść

.

Cechy mechaniczne i fizyczne zale

żą

nie tylko od składu chemicznego, ale równie

ż

od

struktury materiału.

Ż

elazo ma budow

ę

krystaliczn

ą

,

STRUKTURA STALI

Ż

elazo

γγγγ

W zakresie temperatur 1401-898

°

C wyst

ę

puje

ż

elazo

γ

, w którym atomy jego s

ą

umieszczone w

naro

ż

ach i w

ś

rodkach wszystkich

ś

cian sze

ś

cianu, a parametr siatki wynosi 3,56 A* - jest to siatka

płasko-centryczna

.

BUDOWA KRYSTALICZAN

Ż

ELAZA

Ż

elazo

α

Poni

ż

ej temperatury 898

°

C wyst

ę

puje

ż

elazo

α

, w którym atomy jego znajduj

ą

si

ę

w naro

ż

ach i w

ś

rodku sze

ś

cianu o parametrze siatki 2,86 A – jest to siatka przestrzenno-centryczna

.

BUDOWA KRYSTALICZAN

Ż

ELAZA

RÓWNOWAGA

Ż

ELAZO - W

Ę

GIEL

RÓWNOWAGA

Ż

ELAZO - W

Ę

GIEL

DODATKI STOPOWE

W

ę

giel - C jest podstawowym składnikiem stali. Stal wraz ze wzrostem zawarto

ś

ci w

ę

gla zwi

ę

ksza sw

ą

twardo

ść

, granic

ę

plastyczno

ś

ci i wytrzymało

ść

dora

ź

n

ą

(rys. 1-49). Obni

ż

aj

ą

si

ę

natomiast wła

ś

ciwo

ś

ci

plastyczne stali: udarno

ść

, wydłu

ż

enie i przew

ęż

enie. Przy podgrzaniu stali zwi

ę

ksza si

ę

jej hartowno

ść

i

skłonno

ść

do rozrostu ziarn. Stal na konstrukcje spawane zawiera do 0,22% C, ale za spawaln

ą

uwa

ż

a si

ę

stal o zawarto

ś

ci do 0,33% C.

Mangan - Mn w stali w

ę

glowej jest wprowadzany głównie w celu zwi

ą

zania siarki (siarczki manganu) oraz

tlenu. W stali niskostopowej mangan, przy ilo

ś

ci wi

ę

kszej ni

ż

0,8%, działa podobnie jak w

ę

giel, tzn. zwi

ę

ksza

wytrzymało

ść

, hartowno

ść

i skłonno

ść

do rozrostu ziarn, ale te

ż

przy ilo

ś

ci do 2% zwi

ę

ksza udarno

ść

.

Wysokostopowa stal manganowa jest odporna na

ś

cieranie.

Krzem - Si w stali w

ę

glowej spełnia funkcj

ę

odtleniacza. Krzem zwi

ę

ksza twardo

ść

, wytrzymało

ść

na

rozci

ą

ganie, a zwłaszcza spr

ęż

ysto

ść

stali, wpływa natomiast niekorzystnie na jej wydłu

ż

enie, przew

ęż

enie,

udarno

ść

i spawalno

ść

. Jednak niewielka zawarto

ść

Si zwi

ę

ksza R

m

i R

es

tylko nieznacznie pogarszaj

ą

c

ci

ą

gliwo

ść

.

Aluminium - Al działa odtleniaj

ą

co, wi

ążą

c gazy, zwłaszcza tlen i azot; zmniejsza w ten sposób tendencje

stali do starzenia si

ę

. Dodatek aluminium 0,02% hamuje rozrost ziarn austenitu oraz gwarantuje wysoki

stopie

ń

uspokojenia stali, zapewniaj

ą

c wysok

ą

jej udarno

ść

oraz odporno

ść

na kruche p

ę

kanie w obni

ż

onej

temperaturze.

DODATKI STOPOWE

Chrom - Cr , podobnie jak mangan, zwi

ę

ksza twardo

ść

stali, jej wytrzymało

ść

na rozci

ą

ganie oraz granice

plastyczno

ś

ci i spr

ęż

ysto

ś

ci, obni

ż

aj

ą

c nieznacznie wydłu

ż

enie i przew

ęż

enie. Chrom tworzy z w

ę

glem bardzo

trwałe w

ę

gliki, przez co zwi

ę

ksza odporno

ść

stali na

ś

cieranie. Wi

ę

ksze ilo

ś

ci chromu powoduj

ą

odporno

ść

stali na utlenianie; tworz

ą

si

ę

wówczas na powierzchni elementu szczelne warstewki tlenków.

Nikiel - Ni, podobnie jak i chrom, opó

ź

nia rozrost ziarn austenitu, zwi

ę

ksza hartowno

ść

, twardo

ść

i

wytrzymało

ść

stali, a tak

ż

e wpływa dodatnio na jej ci

ą

gliwo

ść

i udarno

ść

w niskiej temperaturze.

Wanad - V tworzy bardzo trwałe i liczne w

ę

gliki, które rozmieszczone płynnej stali działaj

ą

jako o

ś

rodki

krystalizacji i nadaj

ą

jej drobnoziarnist

ą

struktur

ę

. Dzi

ę

ki twardym w

ę

glikom zwi

ę

ksza si

ę

odporno

ść

stali na

ś

cieranie. Ponadto wanad ju

ż

przy małych ilo

ś

ciach (0,15 do 0,30%)wywiera dodatni wpływ na wła

ś

ciwo

ś

ci

mechaniczne stali, wybitnie zwi

ę

kszaj

ą

c jej spr

ęż

ysto

ść

, wytrzymało

ść

i udarno

ść

, a zachowuj

ą

c przy tym

dobr

ą

jej ci

ą

gliwo

ść

.

Mied

ź

- Cu dostaje si

ę

stali ze złomu i znajduje si

ę

prawie w ka

ż

dej stali w ilo

ś

ci od 0,1 do 0,2%. Wi

ę

ksza

ilo

ść

miedzi zwi

ę

ksza odporno

ść

stali na korozj

ę

, a ponadto z dodatkiem Cr i Ni podwy

ż

sza jej R

m

i R

e

DODATKI STOPOWE

Molibden – Mo dodawany do stali w ilo

ś

ci 0,2-0,3% powoduje zwi

ę

kszenie jej hartowno

ś

ci i wytrzymało

ś

ci

oraz granic plastyczno

ś

ci i spr

ęż

ysto

ś

ci. Ponadto molibden zwi

ę

ksza wytrzymało

ść

stali na pełzanie.

Fosfor – P, składnik szkodliwy, dostaje si

ę

do stali z surówki oraz ze złomu. Trudno go usun

ąć

gdy

ż

wi

ąż

e

si

ę

z

ż

elazem tworz

ą

c grube

ż

yły fosforków na granicach ziarn. Fosfor nieznacznie zwi

ę

ksza wytrzymało

ść

stali, ale silnie obni

ż

a jej plastyczno

ść

i udarno

ść

; powoduje te

ż

tzw. krucho

ść

na zimno. Zawarto

ść

fosforu

ogranicza si

ę

w stalach spawalnych do 0,05%, a w stalach jako

ś

ciowych od 0,03 do 0,04%.

Siarka – S, składnik równie

ż

szkodliwy dostaje si

ę

do stali z surówki i ze złomu, i nie mo

ż

na jej całkowicie

usun

ąć

. Siarka w jeszcze wi

ę

kszym stopniu ni

ż

fosfor wykazuje bardzo du

żą

skłonno

ść

do segregacji,

rozdzielaj

ą

c si

ę

nierównomiernie w ró

ż

nych cz

ęś

ciach wlewka. Siarka tworzy z

ż

elazem siarczek

ż

elaza,

powoduj

ą

cy krucho

ść

stali na gor

ą

co, czyli powstawanie p

ę

kni

ęć

w czasie.

GATUNKI STALI STOSOWANE

W BUDOWNICTWIE

W budownictwie stosuje si

ę

stal w

ę

glow

ą

i stopow

ą

.

Stal w

ę

glowa, w której głównym składnikiem obok

ż

elaza jest w

ę

giel, dzieli si

ę

na:

- stal wysokow

ę

glow

ą

C > 0,6%,

- stal

ś

redniow

ę

glow

ą

C = 0,25-0,6%,

-stal niskow

ę

glow

ą

C <0,25%.

Stal stopowa jest to stal, która oprócz

ż

elaza i w

ę

gla zawiera inne składniki, dodawane w celu

uzyskania potrzebnych wła

ś

ciwo

ś

ci. Stal uwa

ż

a si

ę

za stopow

ą

, je

ś

li zawarto

ść

przynajmniej jednego z

nast

ę

puj

ą

cych pierwiastków jest wi

ę

ksza od: 0,8% Mn, 0,4% Si, o,3% Ni, 0,3%Cr, 0,2% Cu, 0,2% W,

0,2% Co, 0,05%V, 0,05% Ti, 0,05% Mo i 0,1% Al.

Stal stopowa dzieli si

ę

na:

stal wysokostopow

ą

, gdy suma składników stopowych jest wy

ż

sza od 5%,

stal

ś

redniostopow

ą

, gdy suma tych składników mie

ś

ci si

ę

w granicach od 1,5 do 5%,

stal niskostopow

ą

, gdy suma składników jest ni

ż

sza od 1,5%.

W budowlanych konstrukcjach stalowych nale

ż

y stosowa

ć

nast

ę

puj

ą

ce grupy stali:

stal niskow

ę

glow

ą

konstrukcyjn

ą

zwykłej jako

ś

ci,

stal niskostopow

ą

konstrukcyjn

ą

,

stal w

ę

glow

ą

o szczególnym przeznaczeniu,

stal o zwi

ę

kszonej odporno

ś

ci na korozj

ę

.

masa obj

ę

to

ś

ciowa

γ

=7850kg/m

3

moduł spr

ęż

ysto

ś

ci podłu

ż

nej E= 205 GPa;

moduł spr

ęż

ysto

ś

ci poprzecznej G= 80 GPa;

współczynnik Poissona

ν

=0,30

współczynnik rozszerzalno

ś

ci cieplnej liniowej

ε

=0,000012 [1/C

°

]

współczynnik tarcia kinetycznego w ło

ż

yskach podporowych:

[PN-90/B-03200]
a) przy

ś

lizganiu płaskich powierzchni

µ

t

=0,2

b) przy

ś

lizganiu powierzchni krzywej po płaskiej

µ

t

=0,1+0,2

c) przy toczeniu

µ

t

=0,3

Własno

ś

ci stali budowlanych

Podstawowe stałe materiałowe dla wszystkich gatunków stali, niezale

ż

nie od struktury

wewn

ę

trznej i składu chemiczne s

ą

nast

ę

puj

ą

ce:

WŁASNO

Ś

CI MECHANICZNE STALI

Twardo

ś

ci

ą

stali okre

ś

la si

ę

opór, z jakim przeciwstawia si

ę

ona wgniataniu bardzo

twardego ciała obcego, wywieraj

ą

cego nacisk na bardzo mał

ą

powierzchni

ę

. Twardo

ść

wzrasta wraz ze wzrostem zawarto

ś

ci w

ę

gla, manganu, niklu, chromu i wolframu.

Udarno

ść

stali jest to zdolno

ść

jej do przenoszenia obci

ąż

e

ń

pod uderzeniem.

Udarno

ść

mierzy si

ę

prac

ą

potrzebn

ą

do złamania jednym uderzeniem (młot

Charpy’ego) próbki o przekroju 10 x 10 mm i długo

ś

ci 55 mm, z karbem gł

ę

boko

ś

ci

2 mm znajduj

ą

cym si

ę

w połowie jej długo

ś

ci. Praca ta jest miar

ą

odporno

ś

ci stali

na odkształcenia nagłe oraz miar

ą

jej krucho

ś

ci. Odporno

ść

stali na udarno

ść

zwi

ę

ksza si

ę

w miar

ę

drobniejszej i bardziej równomiernej struktury. Dlatego te

ż

walcowanie i obróbka

cieplna stali (ulepszanie) podwy

ż

sza jej udarno

ść

.

WŁASNO

Ś

CI MECHANICZNE STALI

Ci

ą

gliwo

ść

stali jest to wła

ś

ciwo

ść

pozwalaj

ą

ca na jej gi

ę

cie, prostowanie, sp

ę

czanie i tym

podobne formowanie na zimno, bez zniszczenia lub uszkodzenia. Ci

ą

gliwo

ść

sprawdza si

ę

przez ustalenie wydłu

ż

alno

ś

ci (A

5

w %) oraz przez prób

ę

na zginanie i sp

ę

czanie na zimno.

Kujno

ść

stali jest to wła

ś

ciwo

ść

pozwalaj

ą

ca na jej dowolne formowanie w temperaturze białego

ż

aru, bez szkody dla wytrzymało

ś

ci. Kujno

ść

stali obni

ż

a si

ę

wraz ze wzrostem zawarto

ś

ci

w

ę

gla.

PRÓBA ROZCI

Ą

GANIA.

Próbki do próby statycznej rozci

ą

gania przed i po zerwaniu:

a) próbka okr

ą

gła z główkami,

b) próbka płaska z główkami,

PRÓBA ROZCI

Ą

GANIA.

GRANICE PLASTYCZNO

Ś

CI I

WYTRZYMA

Ł

O

Ś

CI STALI

,

.

const

tg

E

=

=

=

α

ε

σ

Fo

P

=

σ

lo

l

∆

=

ε

EFo

Plo

l

=

∆

WPŁYW TEMPERATURY

NA W

Ł

A

Ś

CIWO

Ś

CI MECHANICZNE I

FIZYCZNE STALI

0

100 200 300 400 500

700

600

Temperatura, C

W

s

p

ó

łc

z

y

n

n

ik

s

p

r

ę

ż

y

s

to

ś

c

i

k

g

/c

m

0,5

1,0

2,0

1,5

2,5*10

4

2

WPŁYW TEMPERATURY

NA W

Ł

A

Ś

CIWO

Ś

CI MECHANICZNE I

FIZYCZNE STALI

Współczynnik spr

ęż

ysto

ś

ci E

WPŁYW TEMPERATURY

NA W

Ł

A

Ś

CIWO

Ś

CI MECHANICZNE I

FIZYCZNE STALI

Temperatura, C

400

N

a

p

r

ę

ż

e

n

ie

k

g

/c

m

0

1000

200

100

300

2000

2

700

500 600

3000

Granica plastyczno

ś

ci R

e

0

100

200

300

400

500

1

2

3*10

Temperatura, C

5

W

s

p

ó

łc

z

y

n

n

ik

ro

z

s

z

e

rz

a

ln

o

ś

c

i

WPŁYW TEMPERATURY

NA W

Ł

A

Ś

CIWO

Ś

CI MECHANICZNE I

FIZYCZNE STALI

Współczynnik rozszerzalno

ś

ci termicznej

NAPR

ĘŻ

ENIA WŁASNE SPAWALNICZE

Wygi

ę

cie wzdłu

ż

ne pr

ę

ta o przekroju teowym

Wygi

ę

cie k

ą

towe w zł

ą

czach: a) doczołowe, b) i c) teowych

Napr

ęż

enia w blachach: a) spoiny na obydwu kraw

ę

dziach, b) spoina w

ś

rodku

NAPR

ĘŻ

ENIA WŁASNE SPAWALNICZE

Rozkład napr

ęż

e

ń

własnych w spawanej belce teowej

NAPR

ĘŻ

ENIA WŁASNE WALCOWNICZE

Napr

ęż

enia

walcownicze w
dwuteownikach

σ

w

,

σ

ś

r.

=

σ

w/

R

e

OBRÓBKA CIEPLNA STALI

1)

Wy

ż

arzanie

a)

zupełne

b)

normalizuj

ą

ce

c)

rekrystalizuj

ą

ce

d)

odpr

ęż

aj

ą

ce

2)

Hartowanie

3)

Odpuszczanie

4)

Przesycanie

OBRÓBKA CIEPLNA STALI

OCHRONA PRZED PO

Ż

AREM

Czynne: tryskacze, kurtyny wodne, kurtyny mechaniczne

Bierne: ga

ś

nice, hydranty powłoki konstrukcyjne (stykowa-

profilowa, bezstykowa-obudowy)

Ochrona przeciwogniowa za pomoc

ą

płyt osłaniaj

ą

cych

KOROZJA STALI

Schemat przebiegu elektrochemicznej korozji stali

Korozja równomierna

KOROZJA STALI

- Korozja w

ż

erowa

-Korozja mi

ę

dzykrystaliczna

- Korozja napr

ęż

eniowa

- Korozja kontaktowa

KOROZJA STALI

Wpływ wilgotno

ś

ci i zanieczyszcze

ń

powietrza na korozj

ę

stali

0

60

99

100

40

80

120

20

40

60

80

U

b

y

te

k

m

a

s

y

,m

g

/d

m

0

Wilgotność względna, %

2

80

1

2

3

4

5

Czas, doby

1- cz

ą

stki sadzy +0,01% SO

2

,

2- cz

ą

stki siarczanu amonu bez SO

2

,

3- wył

ą

cznie 0,01% SO

2

,

4- cz

ą

steczki siarczanu amonu z SO

2

,

5- czyste powietrze,

OCHRONA PRZED KOROZJ

Ą

1.Stosowanie stali o odpowiednim składzie chemicznym,

- np. stal 10HAV

2. Stosowanie powłok ochronnych,

-powłoki nakładane:

*metaliczne

a) przez zanurzenie w roztopionym cynku lub cynie
b) natryskiwanie roztopionym metalem za pomoc

ą

pistoletu

c) stosowanie metody galwanotechnicznej

*niemetaliczne

a) organiczne: farby, oleje, lakiery, smoły, asfalty,
b) nieorganiczne: emalie, powłoki cementowe.

3.Racjonalne konstruowanie elementów,

4.Usuwanie agresywnych składników z o

ś

rodka,

5.Stosowanie inhibitorów zmniejszaj

ą

cych szybko

ść

korozji,