Właściwości fizyczne stali:

-gęstość objętościowa =7850kg/m3

-współcz. Rozszerz. Cieplnej a=12*10^-6 1/^C

-współcz. Poissona v=0,3

-współcz. Younga E=210000 N/mm²

-moduł przez ścinanie G=E/2*(1+v)=81000 N/mm²

Właściwości mechaniczne stali:

-ciągliwość stali-zdolność do plastycznego odkształcania się. Można ją interpretować jako:

-procentowe wydłużenie standardowej próbki, poddawanej statycznej próbie rozciągania, przy jej zniszczeniu

-przyrównywanie odkształceń granicznych Ƹ_u od odkształceń występujących przy osiągnięciu granicy plastyczności Ƹ_y

Stal jest uznawana za ciągliwą gdy spełnia następujące warunki:

-jej wydłużenie przy zniszczeniu, określone na próbce o długości 5,65$\sqrt{A0}$≥15%

- Ƹ_u/ Ƹ_y ≥15 ( stosunek odkształceń granicznych do odkształceń przy osiągnięciu granicy plastyczności)

-f_u/f_y≥1,1 (stosunek granicy wytrzymałości do granicy plastyczności)

-odporność stali na kruche pękanie:

Są przypadki, w których stal może ulegać zniszczeniu w sposób kruchy, czyli bez widocznych odkształceń plastycznych. Czynniki zwiększające skłonność stali do kruchego pękania to:

-niska temperatura eksploatacji

-znaczna grubość elementów

-znaczna szybkość przykładania obciążenia(obciążenia dynamiczne i udarowe)

-stan metalurgiczny materiału

-wzrost kruchości spowodowany np.spawaniem lub odkształceniem plastycznym materiału

Dla stali konstrukcyjnych inżynierską miarą odporności stali na pękanie jest energia zużyta na złamanie standardowej próbki z karbem w środku, przy jednym uderzeniu młota spadowego. Jest to badanie udarności tzw. Metodą Charpy’ego. Nacięty w połowie długości próbki karb ma kształt litery V.

Na kruche pękanie najbardziej narażone są rozciągane lub zginane elementy z grubymi ściankami (wytwarzane metodą spawania), dla których temperatura eksploatacji jest ujemna.

Właściwości technologiczne i użytkowe czyli zdolność do przetwarzania, odporność na korozję i niezmienność właściwości w czasie

Spawalność- jest to zdolność do utworzenia połączenia spawalnego spełniającego wymagania eksploatacyjne.

Zdolność do kształtowania-stale konstrukcyjne są ogólnie przydatne do obróbki plastycznej na zimno lub na gorąco.

Skład chemiczny stali oprócz bezpośredniego wpływu na właściwości wytrzymałościowe, oddziałuje także na: odporność stali na korozję. Dla stali konstrukcyjnych niska. Stale te wymagają zawsze zabezpieczenia przed korozją powłokami malarskimi lub metalicznymi. Odporność stali na korozję może zostać zwiększona poprzez modyfikację jej składu chemicznego, dodanie odpowiedniej ilości pierwiastków stopowych. Starzenie-zwiększenie się kruchości w czasie. Aktualnie produkowane stale uspokojone aluminium są mało wrażliwe na starzenie.

STAL – stop żelaza z węglem i innymi pierwiastkami, otrzymywany w procesach stalowniczych obrabiany plastycznie. Maksymalna zawartość węgla wynosi 2%. Stal stosowana w konstrukcjach budowlanych zawiera 0,2 – 0,3% węgla.

ZALETY:

- Korzystne cechy materiałowe:

- wysoka wytrzymałość na rozciąganie, zginanie i ściskanie;

- duża ciągliwość (powodująca duże odkształcenia konstrukcji przed ewentualną katastrofą)

- duża sztywność (duża wartość współczynnika sprężystości E, G)

- jednorodność (stal najbardziej odpowiada teorii wytrzymałości materiałów izotropowych i sprężystych),

- Wysoka jakość elementów. Elementy stalowe wytwarzane są w zakładach przemysłowych w korzystnych warunkach technologicznych, pod pełną kontrolą materiałową i technologiczną, z dostosowaniem do wymogów norm,

- Lekkość materiału (oprócz elementów aluminiowych i drewnianych, najlżejszy spośród powszechnie stosowanych),

- Możliwość przeróbek, stosowania wzmocnień i powtórnego stosowania po rozbiórce,

- Łatwość montażu (krótkie okresy realizacji budowy),

- Szeroki asortyment wyrobów,

- Łatwość kształtowania różnorodnych konstrukcji.

WADY:

- Podatność na korozję (pod wpływem działania wody, gazów soli),

- Mała ognioodporność (w 500st C spadek wytrzymałości o 47,7%, a sprężystości 32,7%),

- Wyższy koszt eksploatacji w porównaniu w żelbetem z uwagi na konieczność odnowy zabezpieczeń antykorozyjnych.

Z uwagi na wymienione zalety, stal znajduje wielostronne zastosowanie. Wykonuje się z niej np.:

- konstrukcje nośne budynków dla zakładów przemysłowych,

- szkielety budynków wielokondygnacyjnych(wieżowców),

- szkielety budynków o dużych rozpiętościach, bez zastosowania słupów pośrednich,

- wysokie maszty radiowe, wieże,

- zbiorniki na paliwa płynne i rurociągi dalekosiężne,

- mosty zwodzone, obrotowe, kolejowe i drogowe o dużych rozpiętościach,

- estakady, dźwigi bramowe i suwnice,

- rusztowania.

Do charakterystycznych własności mechanicznych stali zaliczamy: wytrzymałość, udarność, ciągliwość, kujność, spawalność, oraz kruche pękanie.

Wytrzymałość stali – to zdolność do przenoszenia przez stal statycznych obciążeń zewnętrznych. Mierzona za pomocą próby na rozciąganie. Na podstawie próby określa się wytrzymałość stali na rozciąganie, ściskanie, zginanie, ścinanie i docisk. Wytrzymałość na rozciąganie jest naprężeniem odpowiadającym największej sile obciążającej próbkę podczas próby rozciągania.

Wytrzymałość zmęczeniowa – zjawisko zmniejszania się wytrzymałości stali w wyniku wielokrotnych obciążeń zmiennych.

Sprężystość – zdolność do odzyskiwania przez ciało pierwotnego kształtu po ustaniu obciążenia, którym ciało zostało wcześniej obciążone.

Plastyczność – zdolność zachowania odkształcenia po zdjęciu obciążenia.

Ciągliwość – pojęcie określające zdolność stali do plastycznego odkształcania się. Istnieje wiele różnych miar ciągliwości, najczęściej zjawisko to jest opisywane jako procentowe wydłużenie standardowej próbki, poddanej plastycznej próbie rozciągania, przy jej zniszczeniu. Według PN-EN 1993-1-1 stal jest uznawana za ciągliwą gdy spełnia następujące warunki:

- jej wydłużenie przy zniszczeniu, określane na próbce o długości o 5,65$\sqrt{A_{0}}$, jest większe bądź równe 15%, gdzie A₀ jest pierwotnym polem przekroju

- stosunek odkształceń granicznych do odkształceń przy osiągnięciu granicy plastyczności jest większy bądź równy 15 ($\frac{\epsilon_{u}}{\varepsilon_{y}} \geq 15)$

- stosunek granicy wytrzymałości do granicy plastyczności jest większy bądź równy 1,10. ($\frac{f_{u}}{f_{y}} \geq 1,10)$

Ciągliwość jest bardzo ważną cechą stali. Umożliwia między innymi wystąpienie plastycznej redystrybucji sił w ustrojach statycznie niewyznaczalnych, lub pozwala na plastyczne wymiarowanie spoin i łączników śrubowych.

formowanie stali w temperaturze białego żaru, bez szkody dla wytrzymałości materiału. Kujność stali obniża się ze wzrostem zawartości węgla.

Twardość – określa opór, z jakim stal przeciwstawia się wgniataniu bardzo twardego ciała obcego. Twardość wzrasta ze wzrostem zawartości węgla, manganu, niklu, chromu i wolframu.

Udarność – to zdolność stali do przenoszenia obciążeń pod uderzeniem. Mierzymy ją pracą potrzebną do złamania jednym uderzeniem próbki o określonym kształcie i o określonych wymiarach.

Kruche pękanie – w pewnych warunkach może nie dochodzić do plastycznych odkształceń stali, lecz może następować nagłe, kruche pęknięcie stali. Kruche pękanie jest inicjowane poprzez istnienie ostrej nieciągłości kształtu w obszarze lokalnie wysokich naprężeń rozciągających.

Spawalność – jest to właściwość umożliwiająca łączenie elementów stalowych w jedną całość za pomocą spawania. Spawalność zależy od składu chemicznego stali. Spawalność nie jest określeniem jednoznacznym, rozróżnia się stale łatwo spawalne, trudno spawalne i niespawalne. Podstawowym znaczeniem dla wnioskowania o spawalności stali ma wartość tzw. równoważnika węgla.

Kujność – to właściwość pozwalająca na dowolne

Norma PN-EN 10020:1996 ustala podział gatunków stali:

- wg składu chemicznego na stale niestopowe i stopowe

- wg wymagań jakościowych na główne klasy jakości: stale podstawowe, jakościowe i specjalne,

- na główne grupy związane z zastosowaniem: stale konstrukcyjne, maszynowe, odporne na korozję, narzędziowe, inne.

Podział stali ze względu na skład chemiczny:

Stale niestopowe – to gatunki stali, w których zawartość pierwiastków jest mniejsza od wartości granicznych podanych w tablicy 1 normy. W stalach niestopowych głównym składnikiem obok żelaza jest węgiel – stąd ich zamienna nazwa: stale węglowe. Inne składniki występują w niewielkich ilościach i nie wpływają istotnie na własności mechaniczne i technologiczne. W zależności od procentowej zawartości węgla stale niestopowe dzielą się na niskowęglowe, średnio węglowe i wysokowęglowe.

Stale stopowe – to gatunki stali w których zawartość przynajmniej jednego pierwiastka osiąga lub przekracza wartość graniczną podaną w tablicy 1 normy. Ze względu na sumaryczny udział pierwiastków w składzie chemicznym stale stopowe dzieli się na grupy: niskostopowe, średniostopowe i wysokostopowe. Stale te oprócz węgla zawierają inne składniki w znacznych ilościach, które są dodawane w celu uzyskania określonych właściwości mechanicznych(wysokiej wytrzymałości, poprawy udarności) i technologicznych lub nadania specjalnych właściwości fizycznych i chemicznych.

W konstrukcjach stalowych znajdują zastosowanie następujące gatunki stali:

- Stale niestopowe konstrukcyjne ogólnego przeznaczenia: St0S(stosowana na elementy drugorzędne), St3SX, St3SY, St3S, St3V, St3W(stale najczęściej stosowane na konstrukcje budowlane), St4VX, St4VY, St4V, St4W(stale o ok. 10% wyższej wytrzymałości o St3).

- Stale niskostopowe o podwyższonej wytrzymałości: (pierwsze dwie cyfry oznaczają średnią zawartość węgla w setnych częściach procenta, litery określają pierwiastki stopowe) 18G2, 18G2A, 18G2AV

- Stale niskostopowe konstrukcyjne trudno rdzewiejące, ogólnego przeznaczenia: (litery oznaczają pierwiastki stopowe: H – chrom, N – nikiel, V – wanad, P – fosfor, A – podwyższona jakość metalurgiczna) 10H, 10HA, 10H1JA, 12PJA, 10HNAP, 10HAV. Stal trudno rdzewiejąca może być stosowana w pewnych warunkach bez żadnych powłok ochronnych co znacznie obniża koszty eksploatacji. Zastosowanie w budownictwie jest niewielkie.

- Stale do produkcji rur: R, R35, R45, 12X.

- Staliwo

- Stal na nity

- Stal do wyrobu śrub.

Metoda stanów granicznych zaliczana jest do pół probabilistycznych metod projektowania, uwzględnia zarówno elementy probabilistyczne(oparte na rachunku prawdopodobieństwa), jak i elementy przyjmowane arbitralnie(tradycyjnie). Metoda stanów granicznych służy do zapewnienia bezpieczeństwa projektowanej konstrukcji, które jest podstawowym zadaniem przy projektowaniu i realizacji obiektów.

Stanem granicznym określa się taki stan konstrukcji, po osiągnięciu którego uważa się, że konstrukcja lub jej element zagraża bezpieczeństwu lub przestaje spełniać określone wymagania użytkowe.

Rozróżniamy dwie grupy stanów granicznych: stan graniczny nośności i stan graniczny użytkowalności. Należy wykazać, że żaden stan graniczny nie zostanie przekroczony, jeśli w modelach tych przyjęto obliczeniowe wartości oddziaływań, właściwości materiałów lub wyrobów i wielkości geometrycznych. Sprawdzenia należy dokonać dla wszystkich istotnych sytuacji obliczeniowych i przypadków obciążeń.

Stany graniczne nośności dotyczą bezpieczeństwa ludzi i/lub konstrukcji. Jako miarodajne należy sprawdzić następujące stany graniczne nośności:

- EQU: utrata równowagi statycznej konstrukcji lub jakiejkolwiek jej części, uważanej za ciało sztywne

- STR: Zniszczenie wewnętrzne lub nadmierne odkształcenia konstrukcji lub elementów konstrukcji, łączenie ze stopami fundamentowymi, palami, ścianami części podziemnej itd., w przypadku których decydujące znaczenie ma wytrzymałość materiałów konstrukcji

- GEO: Zniszczenie lub nadmierne odkształcenie podłoża, kiedy istotne znaczenie dla nośności konstrukcji ma wytrzymałość podłoża lub skały

- FAT: Zniszczenie zmęczeniowe konstrukcji lub jej elementu.

Przy sprawdzeniu stanu granicznego zniszczenia lub nadmiernego odkształcenia przekroju, elementu konstrukcji lub połączenia (STR i/lub GEO) należy wykazać, że:

E_d ≤ R_d

Gdzie:

E_d – wartość obliczeniowa efektu oddziaływań

R_d – wartość obliczeniowa odpowiedniej nośności

Do stanów granicznych użytkowalności zalicza się:

- nadmierne odkształcenia (przemieszczenia) konstrukcji lub podłoża,

- lokalne uszkodzenia zwłaszcza zarysowania materiału konstrukcyjnego,

- nadmierne drgania konstrukcji

Przy sprawdzeniu stanu granicznego użytkowalności należy wykazać, że:

E_d ≤ C_d

Gdzie:

E_d – wartość obliczeniowa efektów oddziaływań w jednostkach kryterium użytkowalności, wyznaczona dla odpowiedniej kombinacji oddziaływań

C_d – graniczna wartość obliczeniowa odpowiedniego kryterium użytkowalności