Pytania- zagadnienia na egzamin z konstrukcji metalowych

1. Własności mechaniczne stali

Właściwości mechaniczne stali, podstawowe przy ocenie jej przydatności dla projektowanego elementu konstrukcyjnego, wynikają z procesu technologicznego, składu chemicznego stali oraz sposobu obróbki: mechanicznej, cieplnej i cieplno-chemicznej, a dla ich określenia wyma­gane jest prowadzenie badań wytrzymałościowych stali różnych gatunków.

Badania dotyczą następujących podstawowych właściwości mechanicznych sta­li: wytrzymałości na rozciąganie, granicy sprężystości i granicy plastyczności, udarności, wytrzymałości zmęczeniowej i twardości. Te wszystkie cechy dość do­brze charakteryzują jakość stali i pozwalają przewidywać, jak będzie się zachowy­wała ta stal w warunkach pracy z określonym obciążeniem

W przedziale wzmocnienia wydłużenia są stosunkowo duże przy względnie niewielkim przyroście obciążeń. Maksimum krzywej σ-ε w tym przedziale oznacza yt unitę

Wytrzymałości na rozciąganie R_m,jest jedną z podstawowych cech mechanicznych, charakteryzujących poszczególne gatunki stali. Określana ona wielkością naprężenia wywołanego w przekroju próbki przez siłę powodującą jej zerwanie. Po przekroczeniu granicy R_m w stali zaczyna formować się przewężenie i wkrótce następuje zerwanie.

Granicy sprężystości Re, która określa graniczną wartość naprężenia, przy którym jeszcze nie powstają makrosko­powe odkształcenia materiału. Granica sprężystości ogranicza obszar odkształceń sprężystych, przy naprężeniach większych powstają bowiem wyraźne trwałe od­kształcenia próbki. Umowną granicę sprężystości Re określa się jako naprężenie, wywo­łujące odkształcenie trwałe równe 0,05% pierwotnej długości pomiarowej próbki. Po przekroczeniu granicy Re osiąga się obszar odkształceń sprężysto-plastycznych.

Granica plastyczności R_e tj. początek plastycznej fazy pracy materiału (odkształce­nie trwałe e_pi = 0,13 -r 4%). Nagłe zmiany w równowadze na granicach ziarn przejawiają się nagłym wzro­stem odkształcenia, co znajduje odzwierciedlenie na wykresie σ-ε w postaci tzw. przystanku plastycznego względnie półki plastycznej. W stalach o wysokiej wytrzymałości lub utwardzonych trudno jest uchwycić granicę R_e, gdyż wykres wykazuje jedynie łagodne zaokrąglenie. W tych przy­padkach za umowną granicę plastyczności R_e przyjmuje się naprężenie odpowia­dające wydłużeniu trwałemu 0,2%.

Udarność stali jest to zdolność jej do przenoszenia obciążeń pod uderzeniem. Udarność mierzy się pracą potrzebną do złamania jednym uderzeniem młota Charpey’ego. Praca ta jest miarą odporności stali na odkształcenia nagłe oraz miarą jej kruchości. Odporność na uderzenia zwiększa się im struktura stali jest drobnoziarnista i bardziej równomierna.

Twardość stali to opór z jakim przeciwstawia się ona wgniataniu bardzo twardego ciała obcego, wywierającego nacisk na bardzo małą powierzchnię. Twardość wzrasta wraz ze wzrostem zawartości węgla, manganu, niklu, chromu i wolframu.

Ciągliwość jest to właściwość pozwalająca na gięcie, prostowanie, spęcznianie i tym podobne formowanie stali na zimno, bez zniszczenia lub uszkodzenia. Ciągliwość sprawdza się, ustalając wydłużenie w % oraz wykonując próbę na zginanie i spęcznianie na zimno.

Kujność jest to właściwość pozwalająca na dowolne formowanie stali w temperaturze białego żaru, bez szkody dla wytrzymałości. Kujność stali obniża się wraz ze wzrostem zawartości węgla

1. Statyczna próba rozciągania stali, wykres σ-ε.

Próba statyczna rozciągania stali, służąca do określenia jej właściwości, jest przeprowadzana na próbkach okrągłych i płaskich z główkami, przy obciążeniu jednokierunkowym, równomiernie rozłożonym na prze­kroju próbki. Próbki wycina się na zimno, aby uniknąć zmiany struktury materiału.

Próbki powinny być przygotowane zgodnie z obowiązującymi normami jako krótkie pięciokrotne lub długie dziesięciokrotne.

Próbki rozciąga się w maszynie wytrzymałościowej aż do zerwania, zapisując jednocześnie zależność między odkształceniami a naprężeniami. Krzywa σ-ε ma kilka charakterystycznych punktów. Początkowo wydłużenia się proporcjonalne do naprężeń. Punki końcowy odcinka proporcjonalności to granica proporcjonalności R_H. W tym przedziale ważne jest prawo Hookc'a, wyrażające się zależnością σ/ε=E=tg α = const.

Dla celów praktycznych wprowadza się pojęcie granicy sprężystości Re, która określa graniczną wartość naprężenia, przy którym jeszcze nie powstają makrosko­powe odkształcenia materiału. Granica sprężystości ogranicza obszar odkształceń sprężystych, przy naprężeniach większych powstają bowiem wyraźne trwałe od­kształcenia próbki. W technice umowną granicę sprężystości Re określa się jako naprężenie, wywo­łujące odkształcenie trwałe równe 0,05% pierwotnej długości pomiarowej próbki.

Po przekroczeniu granicy Re osiąga się obszar odkształceń sprężysto-plastycz-nych, gdzie współczynnik sprężystości podłużnej E ma zmienną wartość.

Nagłe zmiany w równowadze na granicach ziarn przejawiają się nagłym wzro­stem odkształcenia, co znajduje odzwierciedlenie na wykresie w postaci tzw. przystanku plastycznego względnie półki plastycznej. Wtedy osiągnięta jest gra­nica plastyczności R_e tj. początek plastycznej fazy pracy materiału (odkształce­nie trwałe e_pi = 0,13 - 4%).

W przypadku stali węglowych następuje skokowe przejście do zakresu więk­szych odkształceń trwałych. Po osiągnięciu górnej granicy plastyczności R_eH moż­na zauważyć nagły spadek naprężeń do wartości dolnej granicy plastyczności R_ed.

W stalach o wysokiej wytrzymałości lub utwardzonych trudno jest uchwycić granicę R_e, gdyż wykres wykazuje jedynie łagodne zaokrąglenie. W tych przy­padkach za umowną granicę plastyczności R_e przyjmuje się naprężenie odpowia­dające wydłużeniu trwałemu 0,2%.

1. Nośność połączeń śrubowych zakładkowych i doczołowych

Kategorie połączeń.

W przypadku obciążeń zmiennych co do znaku zaleca się stosowanie

połączeń sprężanych, pasowanych lub nitowanych, a w przypadku

obciążeń dynamicznych (wielokrotnie zmiennych lub udarowych) –

połączeń kategorii C i F, połączeń pasowanych, sprężanych lub

nitowanych.

Kategoria połączenia	A	B	C	D	E	F
Kierunek obciążenia	Prostopadły do osi łączników	Równoległy do osi łączników
Rodzaj połączenia	zakładkowe	doczołowe
	śrubowe ^2) - zwykłe - pasowane nitowe, sworzniowe	sprężane ^1) (cierne)	niesprężane ^3)lub sprężane ^1)	sprężane ^1)
Stany graniczne I nośności II użytkowania	I	I	II	I	I	I
	ścięcie lub docisk łączników	poślizg styku	zerwanie śrub	rozwarcie styku
1) Do połączeń sprężanych należy stosować śruby o wysokiej wytrzymałości, tzn. klasy: 8.8, 10.9 lub 2) Połączenia na śruby o wysokiej wytrzymałości można projektować jako sprężane siła równą 0,5S0 = 0,35RmAs. 3) Do połączeń niesprężanych stosuje się śruby klas niższych niż 8.8.

Wymagania konstrukcyjne:

- całkowita grubość łączonych części (blach) powinna spełniać warunki:

∑t ≤5d - w połączeniach nitowych i śrubowych,

∑t ≤8d - w połączeniach śrubowych sprężonych,

d - średnica łącznika,

- w połączeniach zakładkowych łączniki należy rozmieszczać w układzie

prostokątnym lub przestawionym zgodnie z wymaganiami podanymi w

tablicy 8 ,

- w połączeniach doczołowych odległość śrub od swobodnej krawędzi

blachy powinna wynosić : 1,5d ≤ a₂ ≤ 6t, a odległość miedzy śrubami

2,5d ≤ a ≤ 15t, gdzie t - grubość blachy czołowej.

układ prostokątny układ przestawny

1. Nośność połączeń spawanych pachwinowych i czołowych

Wymiary obliczeniowe i wymagania konstrukcyjne.

Spoiny czołowe:

- grubość obliczeniową „a” przyjmuje się równą grubości cieńszej z

łączonych części,

- długość obliczeniową „l” spoin czołowych przyjmuje się równą długości

spoiny bez kraterów,

- przy łączeniu blach o różnych grubościach, należy zapewnić ciągłą zmianę

przekroju, stosując pochylenie nie większe niż:

1 : 1 - przy obciążeniach statycznych,

1 : 4 - przy obciążeniach dynamicznych.

Nośność połączenia na spoiny czołowe:

- gdy pole przekroju obliczeniowego spoin jest niemniejsze niż pole

przekroju łączonych elementów oraz

= 1 odrębne sprawdzenie nośności połączenia jest zbędne,

- gdy nie są spełnione warunki jw. to nośność połączeń należy sprawdzać :

(26)

gdzie:

σ ,τ -naprężenia w przekroju obliczeniowym połączenia(sprężyste),

- współczynniki wytrzymałości spoiny wg tablicy 11.

Spoiny pachwinowe:

- grubość obliczeniowa „a” przyjmuje się równą wysokości trójkąta

wpisanego w przekrój spoiny,

- do obliczeń należy przyjmować nominalną grubość spoiny „a” podawaną

w całkowitych mm( wyjątek- spoiny o grubości 2,5 ;),

- zaleca się tak dobierać grubość spoiny, aby spełnione były warunki: (27)

gdzie :

t₁, t₂ - grubość cieńszej i grubszej części w połączeniu,

- długość obliczeniową spoin przyjmuje się równą sumarycznej długości

spoin ∑l_i, w przypadku spoin przerywanych można uwzględniać w

obliczeniach tylko te odcinki spoin, które spełniają warunki:

(28)

Nośność połączeń na spoiny pachwinowe:

wytrzymałość dla spoin pachwinowych w złożonym stanie naprężenia : (29)

gdzie:

= 0,7 dla stali Re ≤255 MPa,

= 0,85 dla stali 255 < Re ≤355 MPa,

= 1 dla stali 355 < Re ≤460 MPa.

1. Nośność prętów ściskanych i rozciąganych

Rozciąganie

N/N_Rt<=1 N_Rt = A*fd lub N = A_Ψ*fd - dla elementów osłabionych otworami

Ściskanie

N/φ N_Rt<=1 N_Rc =Ψ* A*fd φ – współczynnik wyboczeniowy

Ψ – dla klasy 1,2 I 3 = 1

dla klasy 4 p. 4.2.2.3 PN

1. Klasy przekrojów stalowych

Klasa 1. Przekroje klasy 1 mogą osiągnąć nośność uogólnionego przegubu plastycznego, a w stanie pełnego uplastycznienia przy zginaniu wykazują zdolność do obrotu, niezbędną do plastycznej redystrybucji momentów zginających.

Klasa 2. Przekroje klasy 2 mogą osiągnąć nośność uogólnionego przegubu plastycznego, lecz wskutek miejscowej niestateczności plastycznej wykazują ograniczoną zdolność do obrotu, uniemożliwiającą redystrybucję momentów zginających.

Klasa 3. Przekroje klasy 3 charakteryzują się tym, że ich nośność jest uwarunkowana początkiem uplastycznienia strefy ściskanej (σ_{c max} ≤ f_d).

Klasa 4. Przekroje klasy 4 tracą nośność przy największych naprężeniach ściskających (lub średnich ścinających) mniejszych niż granica plastyczności.

Klasę przekroju tj. stopień odporności elementu na miejscową utratę stateczności należy ustalać wg tabl. 6, w zależności od warunków podparcia, rozkładu naprężeń i smukłości ścianek (b/t).

1. Nośność prętów zginanych w zależności od klasy przekrojów.

Warunek nośności (stateczności)

M –moment obliczeniowy

M_R – nośność obliczeniowa na zginanie

- współczynnik zwichrzenia

- dla przekrojów klasy 1 , 2

- obliczeniowy wskaźnik rezerwy

plastycznej przekroju

S₁,S₂ – momenty statyczne ściskanej i rozciąganej strefy

przekroju wg osi obojętnej

-dla przekroju symetrycznego

S=S₁=S₂

W – minimalny wskaźnik wytrzymałości sprężystej

przekroju przy zginaniu (dla włókien ściskanych lub

rozciąganych)

- dla przekrojów klasy 3 , 4

=1 dla przekroju klasy 3

<1 dla przekroju klasy 4

W_c – wskaźnik wytrzymałości sprężystej dla strefy

ściskanej

f_d - wytrzymałość obliczeniowa stali

1. Stężenia hal stalowych

tężniki połaciowe poprzeczne: rola : przejęcie wiatru na ściany szczytowe oraz stężenia pasa górnego (ściskanego) dźwigara dachowego, pola skrajne, po obu stronach dylatacji, nie rzadziej niż co 8 pole i nie rzadziej niż 120m

tężniki połaciowe podłużne: połączenie tężników poprzecznych i otworzenie wraz z nimi sztywnej ramy w płaszczyźnie dachu, przejęcie parcia wiatru na ściany podłużne, usztywnienie konstrukcji dachu gdy rozstaw słupów głównych jest większy od rozstawu dźwigarów, przeniesienie obciążeń poziomych na część sztywną konstrukcji, gdy słupy główne są przegubowo podparte; pola przy okapie i linii słupów wewnętrznych rozdzielających nawy

tężniki pionowe: zabezpieczenie dźwigarów przed przesunięciem lub przewróceniem się zwłaszcza w trakcie montażu; w polach przyległych do tężników połaciowych poprzecznych(w przypadku hali z suwnicami- wzdłuż całej długości hali), przy okapach, pod ściankami świetlików i nie rzadziej niż co 15m .

tężniki poprzeczne i podłużne pasa dolnego(pomocnicze); dodatkowe usztywnienie hali w przypadku, gdy rozstaw słupów głównych jest większy od rozstawu dźwigarów, pomoc w przejęciu sił poziomych od wiatru, gdy pasy dolne są ściskane, pola przy ścianach bocznych i szczytowych

stężenia hal przemysłowych

stężenia ścian:

tężniki górne ścian: przenosi siły poziome od parcia wiatru ścianki szczytowe, współdziała w przenoszeniu sił poziomych podłużnych wywołanych pracą suwnicy; pola skrajne, pola przy dylatacji, pola nas tężnikami dolnymi ścian

tężniki dolne ścian: przenosi siły poziome wywołane parciem wiatru na ściany szczytowe i siły poziome podłużne wywołane pracą suwnicy; pole środkowe lub pola skrajne lub co 1/3 długości hali (zbyt wiele tężników wpływa niekorzystnie, ograniczając ruchy termiczne)

tężniki hamowne: wzdłuż belek podsuwnicowych na pełnej długości belek; przenosi siły poziome poprzeczne i podłużne, wywołane pracą suwnicy

1. Obciążenia belek podsuwnicowych

-ciężar stały ( własny belki podsuwnicowej)

-oddziaływanie suwne

- oddziaływanie pomostów

- obciążenia wiatrem (oddziaływanie wiatrem na suwnicę wiatrem na ładunek)

1. Projektowanie belek podsuwnicowych

1.1 Obciążenia pionowe

- max nacisk koła suwnicy od udźwigu

P.umax=Q*(L.s-E)/n*L.s

- max nacisk koła suwnicy od ciężaru własnego

P.gmax=P.max-P.umax

- min nacisk koła suwnicy

P.min=[(Q+G.s)/n]-P.max

- min nacisk koła suwnicy od udźwigu

P.umin=Q*E/n*L.s

-min nacisk koła suwnicy od ciężaru własnego

P.gmin=P.min-P.umin

Wartość obciążeń pionowych na szynę

- charakterystyczne

Vkmax=β*(P.umax+P.gmax)

Vkmin=β*(P.umin+P.gmin)

β-wsp.dynamiczny

β=1 dla obc. charakterytycznych

- obliczeniowe

V.max=β*(P.umax*ψ.fu+P.gmax*ψ.fg)

V.min=β*(P.umin*ψ.fu+P.gmin*ψ.fg)

β-T1 PN-86/B-02005

ψ.fu-wsp. obciążenia technologiczne

ψ.fg=1.1 – wsp. ciężar własny

1.2 Obciążenia poziome prostopadłe do toru jazdy

- charakterystyczne

H.kpmax=k*P.max

K.kpmin=k*P.min

k-współczynnik, pkt. 3.2 PN-86/B-02005

- obliczeniowe

H.pmax=k*(P.umax*ψ.fu+P.gmax*ψ.fg)

H.pmin=k*(P.umin*ψ.fu+P.gmin*ψ.fg)

1.3Obciążenia poziome równoległe do toru jazdy

- charakterystyczne

H.krmax=0.12*P.max

K.krmin=0.12*P.min

- obliczeniowe

H.rmax=0.12*(P.umax*ψ.fu+P.gmax*ψ.fg)

H.rmin=0.12*(P.umin*ψ.fu+P.gmin*ψ.fg)

Założenia:

L.s - rozpiętość suwnicy w osi szyn [m]

Q - udźwig suwnicy [kN]

G.s – masa suwnicy [kN]

n=2 - liczba kół suwnicy po jednej stronie

E – min. odległość haka od osi szyny [m]

1. Projektowanie dwugałęziowych słupów stalowych pod belkami podsuwnicowymi.

2. Obciążenia hal stalowych

Hale obciążone są min. :

• Obciążeniami wywołanymi przez parcie obciążeń ssanie wiatru

• Obciążeniami wywołanymi zaleganiem śniegu

• Obciążeniami wywołanymi działaniem ciężaru własnego

• Obciążeniami wywołanymi ciężarem suwnic obciążeń ich pracą

1. Warunki nośności słupów i rygli ram hal stalowych

2. Projektowanie połączeń słupów i rygli ram hal stalowych

3. Efekty II rzędu w projektowaniu hal stalowych .

Teoria II rzędu stanowi o niedokładności pionowości ramy przesuwnej oraz nadmiernej jej podatności na obciążenia poziome.

Wg teorii II rzędu należy obliczać układy wielokondygnacyjne wrażliwe na efekty II rzędu (α_H≥0,1).

W przypadku układów jednokondygnacyjnych i układów o węzłach nieprzesuwnych można nie uwzględniać efektów II rzędu (α_H<0,1)..

Wskaźnik wrażliwości na efekty II rzędu:

1) ustalenie parametru niedoskonałości ramy w postaci kąta wstępnego przechyłu kondygnacji:

, gdzie: lecz r₁≤1;

` ;

h – wysokość kondygnacji w m,

n – liczba słupów danej kondygnacji w rozpatrywanej płaszczyźnie.

2) ustalenie wskaźniku:

ΣH – sumaryczne obciążenie poziome powyżej rozpatrywanej kondygnacji (siła poprzeczna od obciążenia zewn).

ΣN – sumaryczne obciążenie pionowe przenoszone przez słupy rozpatrywanej kondygnacji.

Ψ₀ – wstępny przechył rozpatrywanej kondygnacji.

ΔΨ - przyrost przechyłu spowodowany działaniem sił poziomych (H+H₀).

Siły wewn. II rzędu (zwiększone s stosunku do sił I rzędu wskutek przemieszczeń poziomych układu) można wyznaczać w sposób przybliżony, przyjmując do obliczeń wg teorii I rzędu zastępcze siły poziome H^II:

α_H – wskaźnik wrażliwości

, gdzie ΣP-oddziaływania pionowe rygli rozpatrywanej kondygnacji.

H – siła pozioma od obciążenia zewnętrznego na poziomie rozpatrywanej kondygnacji.