KONSTRUKCJE METALOWE

Rafał Tews

zaliczenie: teoria i zadania

Literatura:

• Ziółko, Giżeowski – Budownictwo Ogólne. t.5 Stalowe konstrukcje budynków. Projektowanie wg. EC z przykładami obliczeń 2010

• Kozłowski Konstrukcje stalowe. Przykłady obliczeń wg PN-EN 1993 – 1 cz1 Wybrane elementy i połączenia 2010

• Kozłowski Konstrukcje stalowe. Przykłady obliczeń…. cz2 Stropy i pomosty 2011

• Guczek, Supeł Przykłady obliczeń konstrukcji stalowych 2011

Normy:

• Eurokod 3: Projektowanie konstrukcji stalowych. Część 1-1. Reguły ogólne i reguły dla budynków

Wykład 1

Ogólna charakterystyka konstrukcji stalowych

Konstrukcja stalowa – konstrukcja, której główne elementy nośne wykonane zostały ze stali

Stal – stop żelaza z węglem i innymi pierwiastkami; otrzymywany w procesie stalowniczym, obrabiany plastycznie

Maksymalna zawartość węgla w stali wynosi 2%

Zastosowanie w budownictwie znajdują stale o zawartości węgla 0,2 – 0,7%

W stalach konstrukcyjnych zawartość stali nie przekracza 0,3%

Główne grupy budowlanych konstrukcji stalowych:

Konstrukcje prętowe:

• szkielety hal

• szkielety budynków wielopiętrowych

• kopuły

• wieże

• maszty

• mosty, wiadukty

• konstrukcje specjalne, tymczasowe

Konstrukcje powłokowe:

• zbiorniki na płyny i gazy

• zasobniki

• silosy

• rurociągi

• zamknięcia wodne

Konstrukcje cięgnowe (wiszące)

• mosty wiszące i podwieszane

• dachy dużych rozpiętości

Zalety konstrukcji stalowych

• duża wytrzymałość na rozciąganie i ściskanie (jednakowa)

• wysoki stopień prefabrykacji

• łatwość wzmacniania konstrukcji w przypadku wzrostu obciążeń lub uszkodzeń konstrukcji

• możliwość projektowania i wykonywania konstrukcji w tzw. formie „rozbieralnej”

• prawie całkowity odzysk stali w przypadku likwidacji konstrukcji

• względna lekkość (wzór), 3,34 razy 10 do – 5 ( drewno to prawie 60, a beton 200 coś)

Wady konstrukcji stalowych:

• duża podatność stali na korozję

• mała ognioodporność

Korzyści z zastosowania stali do konstrukcji:

• swoboda dysponowania przestrzenią

• efektywność inwestycji

• efektywność budowania

• gwarantowana jakość

• względy wykonawcze, użytkowe, środowiskowe

Wytwarzanie stali

1. Proces metalurgiczny (wielkopiecowy) - wytop żelaza z rudy w wielkim piecu. Rudy żelaza występują w 4 postaciach w zależności od zawartości żelaza (magnetyt, limonit, hematyt, syderyt). Koks w piecu wytwarza ciepło. Topniki wiążą skałę płonną. Temp to około 800 – 950 stopni. Wynikiem procesu jest surówka (93% żelaza)

Części składowe wielkiego pieca (zdjęcie)

2. Proces stalowniczy – świeżenie surówki – proces wypalania nadmiernych ilości zanieczyszczeń (siarka, fosfor) oraz zmniejszania zawartości węgla, manganu i krzemu.

Metody świeżenia surówki:

• Konwertory Bersemera i Thomasa

• w piecu martenowskim – mieszanie surówki ze złomem stalowym; tlen z rdzy złomu uczestniczy w świeżeniu surówki, jednak ta metoda była za droga

• w piecu uchylno-obrotowym (proces konwertorowo – tlenowy LD) – to samo co powyżej tylko w piecu, przedmuchiwane od góry tlenem i po około 0,5h wynik

• ciągłe odlewanie stali - obecnie, i jest to proces najbardziej optymalny

Wynikiem procesu jest otrzymanie stali w postaci tzw. wlewków.

3. Rozlewanie i krzepnięcie stali

Proces rozlewania dotyczy stali z konwertorów, pieców martenowskich oraz pieców elektrycznych.

Kształt wlewnicy zależy od dalszego przeznaczenia skrzepniętej wlewki (zdjęcie):

• kwadratowy - kształtowniki

• prostokątny – blachy

• okrągły - rury

Wynikiem rozlania i krzepnięcia jest otrzymanie stali

• nieuspokojonej

• półuspokojonej (dodanie żelazomanganu i żelazokrzemu)

• uspokojonej (dodanie żelazokrzemu)

Tu następuje odtlenianie stali. Dlatego dodaje się żelazomangan i żelazokrzem.

Sam żelazomangan sprawi, że zastygnięta stal będzie miała pęcherzyki.

Dodatek żelazokrzemu zmniejsza ilość pęcherzyków lub w ogóle je eliminuje.

Odlewanie ciągłe stali

Nowoczesna najbardziej efektywna metoda otrzymywania stali. Stosując tę metodę otrzymuje się stal uspokojoną.

(zdjęcie) Z kadzi nr 2 do krystalizatora, ciągły wlewek na rolkach

Dalsza przeróbka:

Rozlewanie konwencjonalne (do wlewnic)

wlewek ogrzanie do 950 stopni, walcarka- zgniatacz kęs (przekrój kwadratowy lub prostokątny), kęsisko, blachówki (silnie spłaszczona), tuleje (elementy pierścieniowe)

Olewanie ciągłe stali

Stal rolki ciągnące wlewek jako gotowy półwyrób

Podział procesów przeróbki stali zależnie od kierunku przykładanego obciążenia (poprzeczny, podłużny) i rodzaju obciążenia

• walcowanie

• przeciąganie

• gięcie

• tłuczenie

• kłucie

Walcowanie – proces przeróbki plastycznej, w której stal przyjmuje żądany kształt pod wpływem nacisków walców, obracających się w przeciwnych kierunkach.

Typy walcarek: zdjęcia

Rodzaje walcowania:

• na gorąco- materiał jest podgrzewany do temp od 1050 do 1300; proces używany do przeróbki materiałów grubych (kęsy, blachówka, tuleje)

• na zimno – materiał jest podgrzewany do temp poniżej 550; używany do cienkich elementów, wcześniej poddanych walcowaniu na gorąco

• termomechaniczne – polega na podwójnym walcowaniu stali: walcowanie wstępne tzw. walcowanie normalizujące oraz walcowanie końcowe. Walcowanie wstępne odbywa się w temp około 100 stopni niżej niż walcowanie tradycyjne.

Gięcie – obróbka służąca produkcji kształtowników o grubości do 14mm.

Urządzenia:

• krawędziarki

• ciągarki rolkowe

• walcarki rolkowe

Przeciąganie – jest jednym z procesów technologicznych przeróbki plastycznej na zimno stosowany dla zmiany przekroju poprzecznego lub kształtu wyroby uprzednio przerobionych plastycznie na gorąco Ten sposób znajduje zastosowanie do rur, prętów, kształtowników i drutów.

Kucie- pozwala na zmianę kształtu przerabianego metalu ponad działaniem młota lub prasy

Tłoczenie – operacje przeróbki plastycznej na zimno, które ze wsadu w postaci blach lub taśm pozwalają na produkcję przedmiotów o kształtach przestrzennych

Cechy stali

Cechy wspólne metali:

• regularna budowa krystaliczna

• duża plastyczność

• dobre przewodnictwo cieplne i elektryczne

• swoisty połysk

Żelazo występuje w dwóch alotropowych odmianach.

Odmiana alfa – do 912 stopni C, ma po jednym atomie w każdym narożu sześcianu i jeden w środku. Odmiana gamma – powyżej 912 stopni C, po jednym atomie w narożach i jednym w środku każdej ściany.

Metale czyste chemicznie nie są stosowane ze względu na słabą wytrzymałość.

Układ żelazo – węgiel (cementyt)

Składniki strukturalne występujące w polach układu równowagi:

• roztwór ciekły

• austenit – roztwór stały węgla w żelazie gamma

• ferryt – roztwór stały węgla w żelazie alfa

• cementyt – węglik żelaza występuje w odmianach pierwotny, wtórny i trzeciorzędowy

• perlit – mieszanina ferrytu i cementytu, w zależności od szybkości chłodzenia czegoś tam

• ledeburyt – mieszanina austenitu i cementytu

Obróbka cieplna stali

Pozwala na zmianę właściwości i struktury stali.

Parametry obróbki cieplnej:

• temp zabiegu Tmax

• czas wygrzewania tw

• prędkość nagrzewania vn

• prędkość chłodzenia vc

Rodzaje obróbki cieplnej:

• wyżarzanie

• hartowanie

• odpuszczanie

Wyżarzanie – nagrzewanie stali do pewnej temp przetrzymywanie jej przez pewien czas w tej temp i jej chłodzenie. Rodzaje:

• zupełne – stosowane w celu uzyskania drobnych ziarn, większej jednorodności i usunięcia naprężeń

• normalizujące – podobnie jak zupełne, lecz studzenie odbywa się na wolnym powietrzu

• rekrystalizujące – usunięcie skutków zgniotu, 450-600 stopni, następnie powoli studzony

• odprężające – w temp 400 stopni, usunięcie naprężeń wewnętrznych powstałych wskutek różnych zabiegów technologicznych (spawanie)

Hartowanie – nagrzewanie do temp o 30-50 wyższej od A3, wygrzanie do uzyskanej struktury austenitycznej i następnie szybkie studzenie,. Uzyskuje się dużą twardość, jednak wzrasta kruchość i charakteryzuje się małą udarnością

Odpuszczanie – niskie temp 700-200 stopni. Nagrzewa się max do 700, krótkie wygrzanie, wolne studzenie. Stosowane po zahartowaniu, wskutek czego materiał jest pozbawiony naprężeń wewnętrznych, jest o większej plastyczności, ale mniejszej wytrzymałości. Stal po hartowaniu i odpuszczaniu zwie się stalą ulepszoną cieplnie.

Właściwości fizyczne stali

Ciężar właściwy 78,5 kN/m3

Współczynnik rozszerzalności cieplnej 12 razy 10 do – 6 1/stopień C

Współczynnik Poissona zakresie sprężystym: 0,3

Właściwości mechaniczne stali

Najważniejsze cechy z punktu widzenia projektanta konstrukcji

• granica plastyczności

• granica wytrzymałości

• ciągliwość

• odporność n kruche pękanie

Statyczna próba wytrzymałości stali – badanie, opisane szczegółowo przez normę. Otrzymuje się wykres zależności między odkształceniem a naprężeniem.

• ReH - górna granica plastyczności

• ReL - dolna granica plastyczności

• Rp0.2 - umowna granica plastyczności – naprężenie osiągnięte przy umownym odkształceniu plastycznym 0,2%

• Rm - granica wytrzymałości

półka plastyczna – miejsce w którym naprężenia przestają być proporcjonalne, odkształcenia raptowanie nam się zmieniają, bez zmiany naprężeń (?)

Właściwości przyjmowane w PN-N 1993 1-1”

• Charakterystyczna granica plastyczności

fy = ReH lub Rp0,2 w zależności od rodzaju stali

• Charakterystyczna wytrzymałość na rozciąganie

fu = Rm (maksymalne naprężenie jakie możemy uzyskać)

Sztywność – zdolność do przeciwstawiania się deformacjom. Miarą sztywności stali na wydłużenie jest moduł sprężystości podłużnej.

• Moduł sprężystości podłużnej (Younga)

E = 210000 N/mm2

Jest stały bez względu na gatunek stali.

• Moduł sprężystości poprzecznej (Kirchhoffa)

G= E/ 2(1+ν) = 210000/2(1+0,3) = 81000 N/mm2

Wykład 2

Ciągliwość stali