Wyroby stalowe kształtowane są w wyniku obróbki plastycznej lub wylewania, odlewane bywają łożyska. Większość wyrobów jest poddawana obróbce plastycznej.

Wolne, spokojne obrabianie: - walcowanie, tłoczenie, rozciąganie

Szybkie obrabianie: kucie

Obróbka plast. na gorąco stosowana jest np. przy walcowaniu, kuciu.

Obróbka plastyczna na zimno: przy walcowaniu cienkich blach, przeciąganiu drutów, rur, zginanie i wyrównywanie blach; wydłużenie włókien nie powinno przekraczać pewnych dopuszczalnych granic.

Wytwarzanie półwyrobów i wyrobów

1)walcowanie - przy walcowaniu na zimno występuje zjawisko zgniotu (podwyższenie granicy wytrzymałości); walcowanie na gorąco - materiał pozostaje o tej samej twardości

2)przeciąganie (obróbka na zimno) - służy do wykonywania np. rur cienkościennych o dokładnych wymiarach

3)kształtowanie na zimno - można uzyskać różne kształty profili

Asortyment

1)Dwuteowniki, ceowniki, kątowniki, teowniki, zetowniki walcowane (najczęściej profile grubościenne)

2)Blachy (cienkie, uniwersalne, grube) - z blach mogą powstać dwuteowniki lub inne przekroje spawane; mogą to być elementy cienkościenne

3)Rury - bez szwów, ze szwem, spiralnie spawane, przekrój kołowy lub prostokątny; najczęściej elementy grubościenne

4)Zimno gięte - powstają w hucie z blach w wyniku gięcia, charakteryzują się promieniami gięcia (narożniki są zaokrąglone - rys); blachy fałdowe - elementy zimno gięte cienkościenne.

Zalety: możemy zmniejszyć o 20% zużycie stali

Wady: trudno przeprowadzić skuteczną ochronę antykorozyjną, wyższy nakład pracy, wyższa cena.

Uzasadnienie stosowania: nieduże rozpiętości, w procesie kształtowania na zimno możemy uzyskać odpowiednie kształty przekrojów, blachy fałdowe jako konstrukcje nośne i przegrody.

Stosowanie: detale architektoniczno-budowlane, przegrody poziome i pionowe, samodzielne konstrukcje (szkielety systemowe, wiązary dachowe, silosy), konstrukcje lekkie w ramach konstrukcji stalowych. Najczęściej ze stali nie stopowej St lub trudnordzewiejącej 10H.

Wyroby aluminiowe.

Zalety: niewielka masa elementów, duża odporność na korozję, mniejsza niż u stali wrażliwość na obciążenia dynamiczne i powtarzalne, łatwość formowania kształtów, antymagnetyczny, brak właściwości iskrzenia, względy estetyczne.

Wady: kilkakrotnie wyższa cena niż w przypadku stali.

W budownictwie stosujemy stopy aluminium: najczęściej na ściany osłonowe, pokrycia, zbiorniki, szklarnie, baseny, silosy. Najczęściej do produkcji aluminium stosujemy boksyt.

Etapy wytwarzania:

1)Przetwarzanie rudy (wodorotlenku) na tlenek glinu (metoda chemiczna lub termiczna)

2)Elektroliza tlenku glinu - otrzymujemy surowe aluminium.

3)Oczyszczanie surowego aluminium (np. chlorowanie).

Stopy aluminium: podstawowy składnik - aluminium, składniki dodatkowe stopowe: miedź, krzem, magnez, cynk, mangan, nikiel, tytan, chrom.

Najczęściej stosowane stopy: stop Al z magnezem, krzemem, miedzią, cynkiem.

Skład	Wytrzymałość.	Odp. na kor	Spawalność
Al. Mg Al. Mg Si Al Cu Mg Al Zn Mg Al. Zn Mg Cu	Średnia Średnia Duża Duża Wysoka	Średnia Średnia Słaba Średnia Gorsza	Dobra Średnia Słaba Dobra Słaba

Wyroby: blachy, rury, druty.

Wykonanie: obróbka plastyczna na gorąco, obróbka plast, na zimno (zjawisko utwardzania).

Walcowanie - tylko blachy i taśmy (zgniot i wyżarzanie).

Klasyfikacja przekrojów:

Pręty

• krępe- nie występuje lokalna utrata stateczności

• cienkościenne- lokalna utrata stateczności zmniejsza nośność sprężystą elementu

Klasa przekroju jest określona na podstawie smukłości ściskanej ścianki przekroju.

Klasa I, II - uwzględnia się zdolność przekroju do obrotu

Wykres momentów zginających

Dla klasy I dopuszcza się taki wykres naprężeń

Dla klasy II

Dla klasy III

Dla klasy IV

Jeżeli naprężenia τ_śr. i σ_cmax przekroczą wartości dopuszczalne, to przekrój odkształci się. Jeśli zwiększymy naprężenia poza wartość dopuszczalną nośności przekroju będzie nadal rosła - nośność nadkrytyczna przekroju.

Czynniki wpływające na lokalną utratę stateczności:

• warunki podparcia ścianki

• rozkład naprężeń (jakie są naprężenia ściskane, zginane itd.)

• smukłość płytowa ścianki (λ_p=b/t)

Nie określa się klasy przekroju ścianek rozciąganych.

Klasyfikujemy przekroje ścianek ściskanych i ścinanych.

Dystorsja - lokalne wyboczenie przekroju bez odkształceń krawędzi.

Obciążenie: siły działające w płycie - w jej płaszczyźnie (naprężenia normalne i styczne)

Sztywność elementu musi być na tyle duża, aby nie wystąpiło zjawisko dystorsji.

Podstawy obliczeń:

1. wg. teorii prętów cienkościennych (wg. Własowa)

2. wg. teorii nośności nadkrytycznej

1.Obliczanie wg. teorii Własowa:

Hipoteza płaskich przekrojów ⇒przekroje prętów pryzmatycznych

Przekroje prętów cienkościennych⇒hipoteza mówiąca o sztywności konturu

Belka zamocowana sztywno na podporze o przekroju cienkościennym

Moment giętno-skrętny jest pochodną bimomentu.

2.Obliczanie prętów cienkościennych wg. teorii nośności nadkrytycznej.

Ocenia się nośność po utracie stateczności lokalnej ścianki pręta

Ścianki elementu traktujemy jako płyty. Obciążenie działa w płaszczyźnie płyt.

Rozpatrujemy kolejne etapy obciążenia ścianki

Siła P wzrasta.

σ_cr - naprężenia krytyczne

Cały przekrój ścianki przenosi obc.

Zwiększamy obc. do siły P₂ .W dalszym ciągu cały przekrój ścianki przenosi obc.

Zwiększamy obc. do siły P₃ - następuje wyboczenie elementu.

(całka - pole pod krzywą)

Zwiększamy obc. do siły P₄

Stateczność płyt cienkich.

k - wspł. zależny od sposobu podparcia płyty

ν - wsp. Poissona(związany z dwukierunkową pracą płyty)

φ_p - wsp. niestateczności miejscowej.

-smukłość względna

Porównując dwa ostatnie wzory:

Zakładając, że wyboczenie sprężyste możemy wyliczyć graniczną grubość ścianki, dla której nie następuje to wyboczenie
graniczne:

Podane przy rysunkach stosunki b/t są prawdziwe dla warunków idealnych(wielkości teoretyczne).W rzeczywistości wielkości te są nieco inne. W niektórych obszarach ścianki są bardziej wrażliwe na utratę stateczności (wpływ imperfekcji).Wykresy teoretyczne

Wg normy:
dla

dla

Dla przekrojów rurowych z naprężeniami spawalniczymi spadek naprężeń następuje przy
(dla ν=1).Przekroje rurowe :

Naprężenia możemy zwiększać do granicy plastyczności i dopóki ścianki przekroju pozostają proste. Przy stosowaniu nośności nadkrytycznej całkowitej należy kontrolować zachowanie się naroży (żeby nie ulegały odkształceniu).

Przekroje rurowe:

W stanie krytycznym :
(naprężenia)
(nośność)

W stanie nadkrytycznym :
(naprężenia)
(nośność)

Przy ścinaniu:

Stateczność ogólna - wyboczenie

Wrażliwość

• sposób obciążenia

• długość

• typ elementu

• kształt przekroju

• klasa przekroju

• war. brzeg na końcu elem. lub w środku elem.

• gatunek stali

Rodzaje wyboczeń:

• wyboczenie giętne (F)

może występować w elementach:

1. bisymetrycznych

2. monosymetrycznych (tylko w pł. sym.)

• wyboczenie giętno-skrętne (FT)

może występować w elementach:

1. monosymetrycznych (względem osi sym.)

2. niesymetrycznych (wyb. w dwóch kierunkach)

• wyboczenie skrętne (T)

może występować w elementach:

1. bisymetrycznych

2. w przekrojach z punktową symetrią

Siła krytyczna

- wzór Eulera

;
;

- długość wyboczeniowa

- smukłość względna

przy wyboczeniu prętów smukłych

W szczególnym przypadku wyboczenia giętnego otrzymamy:

(przekrój stały na długości, najlepiej bisymetrycznej)

Współczynnik wyboczeniowy:

Pręty rzeczywiste są niedokładne, odbiegają od ideału, gdyż mają:

• imperfekcje geometryczne

imperfekcje materiałowe (mniejsze powstają w procesie walcowania, większe powstają w procesie spawania)

• naprężenia własne (największe napr. własne występują na krawędziach pasów.

Wzór normowy na współczynnik wyboczenia uwzględniający różne parametry pręta - jego imperfekcje mające wpływ na wyboczenie:

(można również odczytać z tabl. w normie)

n - uogólniony parametr imperfekcji

n = 2,0 krzywa „a”

n = 1,6 krzywa „b”

n = 1,2 krzywa „c”

Jeżeli mamy wyboczenie giętne, to możemy skożystać ze wzoru:
i nie musimy liczyć siły krytycznej.

W pozostałych przypadkach musimy policzyć:
i siłę krytyczną

1 przekroje bisymetryczne

2 przekroje monosymetryczne

3 przekroje niesymetryczne

4 przekroje o symetrii punktowej

Norma dopuszcza, że w przekrojach dwuteowych walcowanych, zamkniętych i pełnych nie trzeba liczyć wyboczenia skrętnego (możemy pominąć N_z)

Postacie zniszczenia w elementów cienkościennych:

• L → stateczność miejscowa (utrata stateczności lokalnej)

• D → stateczność dysorsyjna (niestateczność krawędzi)

• F → wyboczenie giętne

• T → wyboczenie skrętne

• FT → wyboczenie giętno-skrętne

Postaci te mogą wystąpić jednocześnie: np. L+D, F+L, F+D, FT+L, FT+D

Kształtowniki gięte na zimno.

kształtowniki 1,5mm÷6mm - grubość

blacha fałdowa 0,5mm÷3mm - grubość

Głównie ze stali niestopowej konstrukcyjnej (St), trudnordzewiejącej (H).Ważna jest podatność na obróbkę plastyczną (~20%)

Odkształcenia plastyczne powstają w stali przy rozciąganiu:

• poslizg

• bliźniakowanie

Zmienia się postać geometryczna ciała bez naruszania ciągłości materiału (nie powstają szczeliny, pęknięcia)

Próbka poddana rozciąganiu:

Następuje wzmocnienie stali, zmniejszają się właściwości plastyczne (materiał staje się mniej elastyczny)

Zgniot:
, A₀ - przekrój początkowy

Oznaczenia wg. Eurokodu

*) graniczna wartość granicy plastyczności f_u (R_m)

*) minimalna granica plastyczności f_yb (R_e) materiału wyjściowego

*) średnia granica plastyczności (uwzgl. zjawisko zgniotu) f_ya

;

t - grubość elementu mat. wyjściowego

A_g - pole przekroju poprzecznego brutto

k - zal. od rodzaju urządzenia do profilowania k=7 (giętarka rolkowa→rolki wprowadzają dodatkowe napr. rozciągające.) ; k=5 (krawędziarki)

n - wsp. dotyczący liczby zaokrąglonych naroży; promień zaokrąglenia r≤5t i naroże pod kątem 90º

*) f_yp - średnia granica plastyczności dla pojedynczej ścianki

Cechy przekrojów poprzecznych.

Ścianki efektywne przyjmuje się w następujący sposób:

b_p = b -t/2-g_r

g_r =

b_p=b -t/2-g_r

b_p=b -t-2g_r

b_p,c=c -t-2g_r

b_p,d=d -t/2-g_r

Gdy r≤5t, r≤0,15b_p

Ag=Ag,sh(1-δ)

Ig=Ig,sh(1-2δ)

Iw=Iw,sh(1-4δ)

Wytrzymałość obliczeniowa (kształtowniki gięte)

f_d =

γ_m=1,1

f_db =
dla minimalnej gr. plast.

f_dp =
dla poszczególnych ścianek

f_da =

≤50

≤60

≤90

≤500

Jeżeli zachowane są powyższe proporcje to możemy projektować zgodnie z Eurocodem 3. W przeciwnym razie należy wykonać badania doświadczalne.

Czynniki, które trzeba uwzględniać przy projektowaniu kszt. giętych:

• wymagane kryteria eksploatacji

• skład, właściwości inne charakterystyki materiałowe

• wzajemne oddziaływanie materiałów (w przypadku zastosowania różnych łącznych mat.)

• kształt elementów

• jakość wykonania

• poziom kontroli wykonania

• jakie zachowane są środki ochronne

Szczególną uwagę należy zwrócić na ochronę antykorozyjną, gdyż są to elementy bardzo delikatne.

Niestateczność miejscowa kształtowników giętych.

Redukujemy szerokość ścianek do szerokości współpracujących.

Gr. plast. przyjmujemy równą gr. plast. materiału wyjściowego.

Jeżeli uwzględniamy naprężenia bierzemy obciążenia charakterystyczne; przy takich naprężeniach wyznaczamy szerokość ścian.

Typy.

• ścianki płaskie bez usztywnień

• ścianki płaskie z usztywnieniami brzegowymi lub pośrednimi.

Ścianki płaskie bez usztywnień

- ścianki nieusztywnione

Smukłość płytowa:

- z tablic

Są przyjęte od razu b_e (szerokość efektywna) b_e=p*b_p

Obliczenia są praktycznie liczone w stanie nadkrytycznym

ρ (w naszej normie jest to odpowiednik (ϕ_pe)

Gdy λ_p>0,673 to liczymy

Szerokość efektywną liczymy dla fragmentu ściskanego. W strefie rozciąganej pracuje cała ścianka b_e=ρ*b_c

Ścianki z usztywnieniami: usztywnienie zachowuje się jak osiowo ściskany pręt

Układ rzeczywisty

Schemat zastępczy

k=u/δ

Ściskanie

Zginanie

Ściskanie

Zginanie

Blachy profilowane z usztywnieniami pośrednimi

1. Pasy z usztywnieniami pośrednimi

Usztywnienia są bardzo często w postaci bruzd

• z jednym usztywnieniem

• z dwoma usztywnieniami

Więcej usztywnień nie jest uwzględnianych przy obliczeniach

Przekrój usztywnienia A_se

2. Środniki z usztywnieniami

Uwzględniamy maksymalnie dwa usztywnienia.

Usztywnienie kształtuje się najczęściej w postaci zagięć

Rys

Nośność przekroju

Przyjmuje się pole przekroju zastępczego oraz wskaźnik przekroju (W_e,c w_e,t) - sprężysta praca przekroju.

W_pe - przekrój częściowo uplastyczniony (strefa rozciągana)

str27

Ściskanie:

- gdy występuje niestateczność

Zginanie

• plastyczną rezerwę nośności możemy uwzględniać przy jednokierunkowym zginaniu w płaszczyźnie

• gdy mamy ukośne zginanie, to przyjmujemy dystrybucję plastyczną

Stany plastyczne - wskaźniki wytrzymałości wstępnie na podst. wytrzymałości stali

- gdy występuje niestateczność

Uwzględnianie rezerwy plastycznej

• uplastycznienie w strefie ściskanej i rozciąganej (w naszej normie nie występuje taki przypadek)

Warunki:

• nie ma plastycznej formy utraty stateczności

• nie występują dystorsyjne formy utraty stateczności

• kąt nachylenia ścianek φ<30˚

Ściskany pas przekroju jest bez usztywnień pośrednich

M_R=W_p*f_da

M_R=W_pe*f_db ε_c=ε_e

Staramy się nie dopuszczać do skręcania. Jeżeli już ono wystąpi, to stosujemy stężenia ograniczające obrót przekroju.

Zginanie dwukierunkowe

położenie osi x_e wyznaczamy iteracyjnie

Stateczność ogólna, wyboczenie dla kształtowników giętnych.

1. Ściskanie osiowe - wyboczenie.

Przyjmujemy współczynniki wyboczeniowe.

α - wsp. imperfekcji (różny dla krzywych)

- smukłość

α = 0,13 α=0,21 zwichrzenie „a₀” i „a”

α = 0,34 „b”

α = 0,4 „c”

- wyboczenie gięte

-związany ze sposobem formowania elementu (sposób gięcia, liczba zgięć)

Wyboczenie dystorsyjne

-granica plastyczności

Na tę formę niestateczności dystrosyjnej należy sprawdzić przekroje jak na rysunku

2. Elementy zginane

LT - giętno - skrętne ( zwichrzenie)

"a"

=nośność przekroju na zginanie (u nas
)

Wyboczenie dystorsyjne

3 Ściskanie i zginanie

Połączenia elementów cienkościennych.

Podział

• przegubowe

• nominalne przegubowe (przenoszą małą część momentu zginającego)

• sztywne

• podatne

Podział

• łączniki mechaniczne

• połączenia spawane

Łączniki mechaniczne

• śruby

• nity jednostronne -stosujemy, gdy t<=1,5mm(t grubość grubszego elementu)

• wkręty do blachy, samogwintujące t>2mm,samowiercące t>12mm

• gwoździe wstrzeliwane t>6mm

POŁĄCZENIA

-siła przekazywana prostopadle do osi łącznika liczymy

S_Rt - rozerwanie trzpienia łącznika

S_Rp - przeciągnięcie łba łącznika przez blachę lub przeciągnięcie nakrętki (śruby)

S_Ro - wyrwanie łącznika z podłoża(wkręty i gwoździe wstrzeliwane)

Współczynnik bezpieczeństwa
=1,25 dla wszystkich łączników

Połączenia spawane

• najczęściej są to połączenia zakładkowe

• grubości ścianek blach nie przekraczają 4mm (nie obowiązuje wtedy norma stalowa, przepisy podane są w Eurokodzie)

• spoiny pachwinowe wymiarujemy na przekrój

• obliczeniowa długość to długość całkowita spoiny

• pomija się spoiny, które mają długość mniejszą od ośmiu grubości

Spoiny podłużne

Spoiny poprzeczne

F_RW= t₁* l_w,e*(1-0,3* l_w,e/b)* f_u/γ_mz

• spoiny punktowe powinny przenosić tylko ścinanie

• suma grubości ścianek dwóch blach lub grubość elementu łączonego ze ścianką nie może przekraczać 4mm

• gdy grubość < 0,7mm, trzeba stosować dodatkowe nakładki

Spoiny punktowe dla blach cynkowych

Nośność wyznaczamy ze względu na następujące parametry:

S_Rb - rozerwanie blachy

S_Re - odległość od krawędzi

S_Rn - przekrój netto

S_Rv - ścinanie

KONSTRUKCJE ALUMINIOWE

Eurocod nr 9

• odporne na korozje

• pod wpływem czynników atmosferycznych aluminium pokrywa się ……

• odporne na działanie kwasów organicznych (większość kwasów)

• nieodporne na kwas solny

Dodatki do stopów aluminium

• miedź

• magnez

• krzem

• mangan

• nikiel

• żelazo

Rodzaje stopów

• stopy odlewnicze

• stopy do obróbki plastycznej

Charakterystyki stopów aluminium;

• wsp. sprężystości podłużnej E_a=27000Mpa

• wsp. Sprężystości poprzecznej G_a=27000Mpa

• ciężar właściwy 2700 kg/m³

• wsp. Poissona ν=0,3

Stopy aluminium nie mają wyraźnej półki plastycznej i granicy plastyczności. Stopy aluminium mogą mieć wytrzymałość większą od stali lub zbliżona do niej.

Istotną różnicą jest zmiana kata nachylenia wykresu - elementy z aluminium są mniej stateczne, łatwiej się wybaczają.

Niskie temperatury nie wpływają na obniżenie nośności elementów aluminiowych. W podwyższonych temperaturach stopy aluminiowe zachowują się gorzej niż stal.

Żeby zmniejszy twardość stosuje się wyżarzanie (mniejsza nośność, większe wydłużenie). Stosujemy również utwardzanie.

Stopy odlewnicze mają małe zastosowanie w budownictwie. Obróbka plastyczna może być na gorąco lub na zimno.

Oznaczenie stopów aluminium:

1. Wg PN - EN 573-1 (system numeryczny - kolejne cyfry w numerze oznaczają różne składy)

EN_AW-….

A - aluminium

W - wyrób przerobiony plastycznie

…. - cztery cyfry określają skład chemiczny; pierwsza cyfra zawartość procentowa aluminium 1-8

2. Wg PN - EN 573-2 (oznaczenia na podstawie symboli chemicznych)

EN_AW - wg EN573-3

Np. EN AW 5052 [Al. Mg 2,5] (może nie być oznaczenia cyfrowego - pomijamy wówczas nawias kwadratowy)

Oznaczenie stanów;

• Stan surowy (podstawowy) - F

• Stan wyżarzony - O

Powłoka tlenku glinowego utrudnia prawidłowe połączenie elementów aluminiowych spoiną. Obszar, który uległ przegrzaniu podczas spawania ma niższą wytrzymałość.

Sposoby spawania:

• Łukiem elektrycznym w osłonie gazów szlachetnych (TIG, MIG)

Korozja:

• Powierzchniowa

• Elektrochemiczna

Może wystąpić pękanie.

Sposoby ochrony przed korozją:

• Stopy bez miedzi w strefie uprzemysłowionej lub klimacie morskim - wymagają pełnej ochrony

• Czyste aluminium nie wymaga ochrony antykorozyjnej

Wodorotlenki sodowe i potasowe oraz fluor są dobrymi rozpuszczalnikami stopów aluminium.

Różnice w projektowaniu konstrukcji stalowych i aluminiowych wg Eurokodu 9.

Konstrukcje aluminiowe:

1. stany graniczne nośności

1. częściowe wsp. bezpieczeństwa (materiałowe wsp. bezp.)

γ_m1 = 1,1 dla wszystkich klas przekrojów brutto i bez otworów

γ_m2 = 1,25 przekroje netto i z otworami

f₀ = f_0,2 wytrzymałość na zginanie, rozciąganie i ściskanie (stopów aluminium)

f_a = f_u wytrzymałość na lokalny docisk w przekrojach netto przy ściskaniu i rozciąganiu (stopów aluminium)

f_ν = f₀/√3 wytrzymałość na ścinanie (stopów aluminium)

f_s =wytrzymałość ze względu na niestateczność ogólną (stopów aluminium)

3. Klasyfikacje przekrojów

Cztery klasy przekrojów; b/t, β

Ścianki dzielimy wg następujących kryteriów

• obecność usztywnień krawędziowych krawędziowych/lub wewnętrznych

• lokalizacja ścianki w przekroju (skrajna, środkowa)

• symetria wzgl. płaszczyzny podparcia w ściance pośredniej

Ścianki nieusztywnione

Parametr ν jest zbliżony do Ψ

σ

_kraw - na krawędzi

σ

_{c max} - w ściance

Ścianki usztywnione:

Są trzy modele utraty stateczności:

• model 1 (ścianka traci stateczność jako cała, czyli cała się wybacza)

• model 2 (ścianka się wybacza między usztywnieniami)

• model 3 (kombinacja modelu 1 i 2)

β = η*b/t

b - przyjmujemy długość ścianki bez zaokrągleń

β₄ - dla klasy czwartej

Grubość efektywna w przekrojach klasy czwartej.

t_e = ρ_c * t t_e - grubość efektywna (dotyczy szer. B)

ρ_c = f (β/ε; położenie ścianki, rodzaj obróbki, czy element jest spawany)

1. Efekt HAZ.

Wpływ wysokiej temperatury w pewnej odległości od spoiny.

Możemy uwzględnić ten wpływ na 2 sposoby.

1. obniżając wytrzymałość - stosując współczynnik ρ_HAZ(f₀)

2. zmniejszając grubość elementu - współczynnik ρ_HAZt(t)

Konstrukcje zespolone.

Zalety stosowania stropów zespolonych:

• zmniejszenie zużycia stali

• zmniejszenie ugięć

na krawędzi ścianki

w ściance

na krawędzi ścianki

w ściance

na krawędzi ścianki

w ściance

na krawędzi ścianki

w ściance

---