83557 JJ05 (2)

Dział Naukowo-Techniczny

Profi dr ini. Jan AUGUSTYN,

Mostostal Projekt S.A.

Dr hab. ini. Marian GIZEJOWSKI,

•    •    •    •    ■ VI    '%/'    •    1    Politechnika Warszawska

i osiągnięcia u schyłku XX wieku i*****^™^™*

^Ł    prof. Pol. Rzesz., Politechnika Rzeszowska

(Cz. 1: Materiały, wyroby, sposoby łączenia i kształtowanie węzłów)

Stal była od początku zastosowań w budownictwie synonimem nowoczesności i pozostaje materiałem konstrukcyjnym, którego wykorzystanie szybko rośnie [42]. 70% gatunków i wyrobów ze stali obecnie dostępnych na rynku nie istniało 10. lat temu. Inwestowanie w nowe technologie, badania i rozwój powoduje, że przemysł stalowy ulega ciągłym zmianom. Proekologiczna polityka ostatniego ćwierćwiecza umożliwiła opracowanie technologii redukujących zużycie energii w przemyśle stalowym o ponad 30% w porównaniu z przełomem lat 40. i 50., a także zmniejszenie emisji zanieczyszczeń. Stal jest materiałem ekologicznie przyjaznym, nadającym się całkowicie do recyklingu. Możliwość pełnego odzysku stali jest ważnym elementem modernizacji procesów wytwórczych. Niektóre gatunki stali stopowej stosowane w przemysłach lotniczym i kosmicznym są produkowane prawie wyłącznie ze stali złomowej. Ich procesy produkcyjne wymagają jedynie 35-40% energii jaka potrzebna jest do produkcji stali z rud kopalnianych. Wiek XX to stały rozkwit myśli technicznej w zakresie racjonalnego wykorzystania stali i jej wyrobów w budownictwie. W artykule przedstawiono ogólne spojrzenie na rozwój konstrukcji stalowych w XX w.

Rola stali w rozwoju cywilizacyjnym

Stal odgrywała i nadal odgrywać będzie kluczową rolę w rozwoju cywilizacyjnym, zapewniając ludzkości dobrobyt i postęp technologiczny. Przemysł stalowy i gałęzie z nim związane są ważnym elementem kształtującym gospodarkę współczesnego świata. Tworzące się na przełomie wieków XIX i XX duże okręgi przemysłu stalowego przyczyniły się do migracji ludności z terenów mniej zurbanizowanych do miast, powodując szybki rozwój metropolii i tworząc zręby gospodarki monopolistycznej. Na przestrzeni XX w. zapotrzebowanie na stal gwałtownie wzrastało, co doprowadziło do rozwoju energochłonnych i szkodliwych dla środowiska naturalnego technologii, ukierunkowanych na łatwy zysk i rabunkowe wykorzystanie surowców kopalnianych. W ostatnich kilkudziesięciu latach zrozumiano, że nie wystarczy coraz lepiej poznawać konsekwencje procesów uprzemysłowienia zachodzących w XX w., ale środowiska decyzyjne w gospodarce, polityce i technice powinny podjąć wspólny wysiłek w celu odwrócenia tej niekorzystnej tendencji. Punktem zwrotnym było osiągnięcie konsensu co do tego, że:

• rozwój wielu gałęzi przemysłów kluczowych dla postępu cywilizacyjnego nie jest możliwy bez zwiększania produkcji stali i jej wyrobów,

• zaspokojenie rosnących potrzeb coraz liczniejszej populacji mieszkańców Ziemi nie może odbywać się kosztem dalszej dewastacji środowiska naturalnego i niekontrolowanej emisji gazów cieplarnianych.

Zapoczątkowano ogólnoświatowy proces modernizacji przemysłu stalowego, który pozwoli na realizację stojących przed nim zadań, ale w warunkach ochrony i rekultywacji śro-dęwiska. Tereny obejmujące obiekty przemysłu stalowego są

coraz bardziej przyjazne człowiekowi. Realizacja tego przedsięwzięcia wymaga przeznaczenia olbrzymich nakładów finansowych w skali każdego z uprzemysłowionych krajów świata. Na początku lat 90. przemysł stalowy w Wielkiej Brytanii wydał na modernizację ok. 50 min funtów w ciągu 2. lat, aby spełnić ostre wymagania norm ochrony środowiska [23], Modernizacja dotyczy wprowadzania procesów wytwórczych o małym zużyciu energii i emisji gazów, wykorzystania energii „odpadowej'⁴ i wielokrotnego wykorzystania surowców. Recykling konstrukcji stalowych jest łatwiejszy i tańszy od odzysku innych materiałów konstrukcyjnych, np. z konstrukcji żelbetowych. Około połowy masy stali produkowanej w latach 60. i 70. jest obecnie odzyskiwane. Przed inżynierami stoi zadanie rozsądnego zarządzania zasobami przemysłu stalowego tak, aby umożliwić osiągnięcie ekologicznej równowagi między surowcem z recyklingu i z rud kopalnianych. Dążenie do pełnego odzysku stali, w powiązaniu z optymalnym jej stosowaniem w konstrukcjach zespolonych, różnego rodzaju kompozytach i konstrukcjach mieszanych, to kierunek zmian obserwowany u schyłku XX w.

Materiały i wyroby

Stal konstrukcyjna niestopowa (gatunki S235 według obecnych norm PN-EN) była i nadal pozostaje w kraju podstawowym materiałem do wytwarzania blach i kształtowników na konstrukcje stalowe. Początek XX wieku wiąże się z wprowadzeniem technologii spawania, co przyczyniło się do ogromnego rozwoju konstrukcji stalowych we wszystkich dziedzinach życia, najpierw w przemyśle zbrojeniowym, okrętowym i maszynowym, a następnie w budownictwie. Możliwości kształtowania konstrukcji stalowych stały się praktycznie nieograniczone. Technologie produkcji stali ulegały zmianom w kierunku zapewnienia dobrej spawalności przy coraz wyższej wytrzymałości i przy uwzględnieniu bardziej ekstremalnych warunków wykonania i eksploatacji konstrukcji. Pojawiła się stal niskostopowa (gatunki S355 według obecnych norm PN-EN). Dodatki stopowe i polepszenie stopnia jednorodności w budowie mikroskopowej stali umożliwiło produkcję spawalnej stali stopowej, odpornej na kruche pękanie w obniżonych temperaturach. Ciągle zwiększająca się konkurencja na rynku materiałów konstrukcyjnych sprawiła, że przemysł stalowy wprowadził do produkcji wyroby ze stali wysokowytrzymałościowych (z ang. high-perfor-mace), które charakteryzują się wytrzymałością 500-700 MPa. Opracowywane są technologie produkcji gatunków stali, cechujących się nie tylko podwyższonymi cechami wytrzymałościowymi, ale również mających gwarantowaną spawalność oraz zdolność do znacznych odkształceń plastycznych i dobrej absorpcji energii w zakresie niesprężystym. Współcześnie produkowane gatunki stali wysokowytrzymałościowych mają charakterystykę o-£ cechującą się kształtem optymalnie dobranym do wymagań plastycznej redystrybucji momentów i możliwości przejęcia przez konstrukcję obciążeń o charakterze wyjątkowym, bez oznak pojawienia się kruchej formy zniszczenia. Na rys. 1 zamieszczono idealizowaną charakterystykę a-£ przyjmowaną do porównań cech ciągliwości stali. Przyjęto następujące oznaczenia: f_y = £yE - granica plastyczności, f_u - wytrzymałość na rozciąganie, E - moduł sprężystości podłużnej (Younga), E_st=(f_u-fy)/[2(£b-£_st)] - moduł wzmocnienia.

Rys. 1. Charakterystyka o - £ stali

Rys 2. Cynkowanie dźwigara z kształtowników giętych

msiieiiiu

stalowe

7(51)

Listopad 2001