Wykłady z konstrukcji stalowych

Budownictwo stalowe obejmuje zasadniczo budowle i konstrukcje takie jak: -hale przemysłowe, - dworce
komunikacyjne, - hangary lotnicze, - budynki wysokościowe, - mosty, - hale i pawilony wystawowe, - wieże i maszty, silosy, - wieże chłodnicze, - wieże górnicze, - budowle w przemyśle chemicznym i paliwowym.
Zalety i wady stali:
Zalety:
- wytwarzanie elementów i całych konstrukcji w specjalnie dostosowanych wytwórniach,
- obróbka elementów w specjalistycznych zakładach,
- łatwość zmechanizowania prac montażowych montaż w każdych warunkach (ograniczenia w spawaniu),
- duży współczynnik lekkości stali (stosunek gamma/sigma – stal 5*10-6, żelbet 2*10-5, aluminium 1,7*10-6 (trudno
spawalne)),
- łatwość wzmacniania (dospawanie elementów.),
- duży odzysk nieuszkodzonych elementów,
- bezpieczniejszy montaż, dźwigi mniejszych rozmiarów,
- większe powierzchnie użytkowe ze wzgl. na mniejsze przekroje elementów,
- znikome uszkodzenia w czasie transportu,
- łatwość zakładania wszelkiego typu instalacji,
- mała wrażliwość na zmiany kierunku działania sił,
- bardzo wysoki poziom naprężeń stycznych (0,58 wg H-M-H),
- możliwość przekrywania dużych rozpiętości przy stosunkowo małym ciężarze na m2 (stosunek wys./dł. - 1/24, 1/34
sprężone, 1/11 kratowe)
Wady:
- korozja (straty 6 do 8 % rocznej produkcji),
- mała odporność stali na wysokie temperatury,
- starzenie się stali (maleje plastyczność, ciągliwość),
- wrażliwość na udarność,
- wrażliwość na zmęczenie dynamiczne,
- kruchość w niskich temperaturach (-100, -200).
Konstrukcje stalowe w zasadzie ujęte są w trzy podgrupy:
- prętowe (krata, belka, układy szkieletowe) 80% konstrukcji,
- z blach (wykorzystujemy stan błonowy) np. zbiorniki kroplokształtne, zbiorniki do materiałów sypkich,
- wiszące (mosty, stadiony)
Na zwiększenie udziału konstrukcji stalowych i ich dalszy rozwój miało wpływ:
- zwiększenie dostaw stali do budownictwa,
- udoskonalenie metod i technologii spawania,
- wprowadzenie stali wysokowartościowych (kwasoodpornych, nierdzewnych),
- wprowadzenie innych jakościowo połączeń na śruby sprężające oraz połączeń klejonych,
- wprowadzenie przekrojów zimnogiętych – cienkościennych (zmniejszenie zużycia materiału do 25 –50 %)
Budowa stali:
Stal jest to stop żelaza z węglem o zawartości węgla do 2% + śladowe zawartości innych pierwiastków. Metalografia –
nauka o budowie wewnętrznej czyli strukturze metali i stopów. Budowa: Istnieje ścisły związek miedzy budową a
własnościami. Wszystkie metale mają budowę krystaliczną. Atomy i cząsteczki układają się w sposób uporządkowany
tworząc przestrzenne siatki krystaliczne. Na ogół metale maja przestrzennie centryczną lub płaskocentryczną siatkę
krystaliczną (RYS). W temperaturze 898 – 1401 zachodzi przemiana żelaza α w β. Metale zależnie od temperatury
zmieniają własności w dużym zakresie. Polega to na zmianie położenia atomu w siatce przestrzennej. Towarzyszy temu
pochłanianie lub wydzielanie ciepła. Metale jako ciała krystaliczne są ciałami anizotropowymi – oznacza to że ich
własności są zmienne w zależności od kierunku ich określania. Podczas krzepnięcia roztopionej stali powstają w nim
ośrodki krystalizacji i wokół nich w trzech przestrzennie przecinających się kierunkach narastają z różnymi szybkościami
gałęzie krystaliczne – dendryty. Liczba kryształów i ich wielkość zależą od szybkości chłodzenia. Im większa prędkość
chłodzenia tym więcej kryształów a struktura bardziej drobnoziarnista. Kryształy o regularnej budowie wewnętrznej i
nieregularnym kształcie zewnętrznym (rozrost kryształów bocznych) nazywa się krystalitami, lub ziarnami, im większe
będą ziarna tym większe będą różnice wytrzymałości próbek wyciętych w rożnych kierunkach. Wielkokryształowe ciała
złożone z drobnych ziarn o różnej orientacji w przestrzeni nazywamy ciałami kwaziizotropowymi. Stal jest taki ciałem.
Technologia (produkcja) stali:
Surowce – surówka jest podstawowym składnikiem, różna w zależności od składu i postaci węgla zawartego w niej.
Składa się z 93% żelaza, 7% różnych składników tworzących dwie podgrupy:
a) składniki powodujące poprawę własności, pożyteczne dla materiału i dalszej przeróbki: węgiel, mangan, chrom,
wanad,
molibden, krzem.
b) składniki szkodliwe : siarka, fosfor.
Surówka może być: - biała jeżeli węgiel występuje w związku z żelazem w postaci Fe3C
(bardzo twardy węglik żelaza – cementyt) przełom jasno srebrzysty, - szara węgiel w postaci wolnej – grafit, - pstra jest
to mieszanka. Zawartość węgla w surówce sięga 2,5 – 4,5%.
Surowce do produkcji stali:
- surówka,
- złom stalowy,
- topniki (przy procesach zasadowych: wapno mielone, kamień wapienny),
- żelazo stopy i odtleniacze (stosuje się w ostatnim stadium i po to aby wprowadzić aluminium i mangan),
- rudy żelaza w dużych kawałkach, bardzo bogata – magnetyt jest regulatorem procesu utleniania różnych składników
- energia (paliwa: gaz czadnicowy, koksowy, ziemny, ropa, elektryczna energia).
Proces przeróbki surówki w stal polega na jej świerzeniu tzn utlenianiu a więc wypalaniu różnych składników (głównie
węgla). Wynalazki rewolucyjne – 1856 r opatentowanie przez Bessenera konwertora w postaci gruszki z zatopionymi w
jej dno dyszami do wtłaczania sprężonego powietrza. Wykładzina była krzemionkowa, która umożliwiała przetwarzanie
w stal surówek o zawartości fosforu do 0,1%, - 1878 r sir Thomas zmienił w tej gruszce wykładzinę krzemionkową na
zasadową, co umożliwiło produkcję stali z surówki o dowolnej zawartości fosforu, - 1864 r Siemens i Marten
opatentowali piec Martenowski do wytapiania stali z głównie ze złomu. Stal martenowska to dzisiaj o 90% produkcji
stali.
Proces wykonywania stali:
Wsad pieca po całkowitym roztopieniu jest poddawany procesowi „świerzenia” czyli utleniania, a więc wypalania
zbędnych składników. Proces ten powinien być bardzo intensywny. Kąpiel powinna się „gotować” – bąbelki gazowe, w
wyniku wydzielana się głównie tlenku węgla CO który ułatwia wydzielanie się innych gazów bo jest bardzo prężny.
Obniża się zawartość innych pierwiastków: C,S,P. Szybkość procesu świerzenia reguluje się dodatkiem rudy. Podczas
procesu świerzenia należy ciągle podnosić temperaturę świerzenia. Cały czas bada się skład chemiczny. Po osiągnięciu
właściwego składu chemicznego następuje proces odtleniania i wykańczania wytopu. Dokonuje się tego dodatkami:
żelazo-mangan, krzemo-mangan lub surówki zwierciadlistej. W celu uzyskania stali uspokojonej, wolnej od CO i FeO
stosuje się żelazo-krzem i ostateczne odtlenienie przy pomocy aluminium (reakcja gwałtowna obniżająca zawartość FeO
w stali) Aluminium poza odtlenieniem służy do regulacji wielkości ziarna w stali. Krzem i glin jako bardzo powinowate
pierwiastki do tlenu reagują z rozpuszczonymi w stali FeO tworząc tlenki prawie nierozpuszczalne w płynnej stali, a
zatem tworzą zawiesinę. Zależnie od stopnia odtlenienia rozróżnia się: A) stal nieuspokojoną, B) półuspokojoną, C)
uspokojoną. Stal A) odtlenia się tylko manganem. Obniża to zawartość FeO w stali jednak nie na tyle, by zapobiec
reakcji FeO+C=Fe+CO, która to zapoczątkowuje spadek rozpuszczalności FeO w płynnej stali co powoduje „wrzenie”.
Wlewka i wnętrze wlewka po zakrzepnięciu zawiera dużo zastygłych pęcherzyków CO oraz charakterystyczną strefę
segregacji w górnej części wlewka. Prężność jest tak duża, żę występuje kompensacja sił skurczu. (RYS). Stal B)
odtleniona silniej za pomocą 0,15% krzemu. Obniża to istotnie zawartość FeO w płynnej stali nie hamując jednak
całkowicie w/w reakcji. Wlewek krzepnie bez wrzenia spokojnie ale ma zakrzepnięte pęcherzyki CO w znacznie
mniejszej liczbie. Występuje pewna kompensacja sił skurczu (mniejsza). Wlewek bez strefy segregacji. (RYS). Stal C)
odtleniona krzemem od 0,15% do 0,35% oraz aluminium w ostatniej fazie. Wlewek krzepnie spokojnie bez wydzielania
gazów. Stal całkowicie odtleniona i odgazowana. Występują znaczne efekty skurczu z jamą wsadową włącznie (RYS).
Stal A) nadaje się do wszystkich konstrukcji nawet obciążonych dynamicznie, stal B) już tylko do niektórych
obciążonych dynamicznie, stal C) do elementów drugorzędnych. Stal odlana do form nosi nazwę staliwa. Czyli bardzo
krucha, nie ma struktury włóknistej. Obróbka cieplna stali to zespół zabiegów cieplnych pod wpływem których zmienia
się struktura stali, zmieniają się jej właściwości fiz., chem., mech. W przypadku stali zmiany te są dokonywane w dużym
zakresie.
Zabiegi termiczne:
- wyżarzanie,
- hartowanie,
- odpuszczanie,
- przesycanie.
Wyżarzanie to nagrzanie stali do odpowiedniej temperatury, wygrzanie jej na wskroś i ostudzenie (wyżarzenie
normalizujące – jest to wyżarzenie do obszaru austenitu 9000C, wygrzanie i ostudzenie stali. Uzyskuje się przez to
strukturę równomierną, drobnoziarnistą o b. dobrych właśc. mechan.), (wyżarzenie odprężające – ma na celu
zmniejszenie naprężeń własnych od przeróbek plastycznych na gorąco i zimno, spawania i innych, bez wyraźnych zmian
strukturalnych. Temperatura ok. 6500C. Wygrzewanie na wskroś, a studzenie z całym piecem do 14 dni). Temperatura
wyżarzania powinna być wyższa od temp. W której stal znacznie obniża swoją wytrzymałość (5000C – 50%) a rosną jej
cechy plastyczne. Występuje tu plastyczne praformowanie kryształów.
(wyżarzanie rekrystalizujące ma na celu usunięcie zjawiska zgniotu (przekroczenie granicy plastyczności na zimno).
Stosuje się po kuciu, walcowaniu, gięciu na zimno. Istotne zmiany struktur zachodzą w temperaturze rekrystalizacji.
Zjawiska zachodzące poniżej temp. Rekrystalizacji nazywa się nawrotem, a w temp. rekrystalizacji nazywa się
rekrystalizacją).
Hartowanie stali polega na nagrzaniu stali do temperatury powyżej A3 (9000C) dla stali podeutektoidalnych lub
powyżej A1 (7230C) dla stali nadeutektiodalnych, wygrzaniu w tej temperaturze dla otrzymania struktury austenitycznej
w stalach podeutektoidalnych lub struktury austenityczno-cementytoej w stalach nadeutektoidalnych i następnie
gwałtownym ostudzeniu. Celem hartowania jest otrzymanie struktury twardej, martenzytycznej zapewniającej stali: dużą
twardość i wysoką odporność na ścieranie. Dodatkowo uzyskuje się też wzrost wytrzymałości stali (ale nie jest to celem
hartowania). W stalach nadeutektoidalnych otrzymuje się strukturę martenzytyczna z nierozpuszczonym cementytem
(Fe3Cl). Hartowaniu można poddawać tylko stale o zawartości węgla min 0,25%.
Odpuszczanie jest to zabieg do elementów uprzednio podhartowanych. Służy to polepszeniu właściwości plastycznych
przy jednoczesnym usunięciu naprężeń pohartowniczych. Wysokość temperatury odpuszczania 150-6500C.
Przesycanie polega na nagrzaniu stali do temperatury w której jeden lub kilka składników przechodzi do roztworu
stałego (bez przemiany alotropowej), wygrzaniu w tej temp. i szybkim ochłodzeniu. W stalach miękkich usuwa to
cementyt 3-rzędowy, wydzielany na granicach ziarn ferrytu. Stal nagrzewa się do temp. 650-6800C. Wygrzewanie +
studzenie w oleju. Dzięki podgrzaniu cementyt rozpuszcza się w ferrycie i następnie dzięki szybkiemu ostudzeniu nie
może się z niego wydzielić, więc pozostaje przesycony ferryt. Stal jest bardziej miękka i plastyczna. Ta struktura nie jest
jednak zbyt twarda i łatwo daje się wytrącić z równowagi. Wydzielenie się z roztworu przesyconego składnika
przesycającego nazywa się starzeniem – występuje drobna druga faza. Obróbka cieplna polegająca na przesyceniu i
starzeniu nazywa się utwardzeniem dyspersyjnym. Starzenie to wydzielenie się różnych składników przesyconych. Stal
staje się twardsza, b. wytrzymała, ale zmniejsza się ciągliwość stali, stal staje się b. krucha (nieodporna na udary).
Przyczyna starzenia leży w zmiennej rozpuszczalności niektórych ciał w ferrycie w zależności od temperatury. Skłonność
do starzenia zwiększa się po przekroczeniu granicy plastyczności na zimno, czyli zniszczeniu siatki krystalograficznej.
Ochrona polega na dodaniu pierwiastków powodujących chemiczne wiązanie się z ciałami powodującymi starzenie,
tworzą się nowe związki. Tymi ciałami są najczęściej mangan, krzem, glin, tytan. Stal uspokojona za pomocą krzemu i
glinu nie jest skłonna do starzenia.
Cechy charakterystyczne stali:
- wytrzymałość – próba rozciągania,
- udarność – odporność na uderzenia lub gwałtowne zginanie,
- ciągliwość – zdolność stali do gięcia, spęcznia, przeciągania (zmiany kształtu na zimno),
- kujność – zdolność do swobodnego formowania w temperaturze białego żaru bez zmiany wytrzymałości,
- twardość – odporność na wgniatanie innych stali twardych lub końcówek diamentowych (dla stali węglowych
Rm=0,36HB, dla stali niskostopowych Rm=0,34HB),
- spawalność nie ma stali niespawalnych (stal topi się w temp 15290C).
Wytrzymałość – najważniejsza jest granica plastyczności (stosunek l/d =10 lub 5. Stąd próbki 10-cio lub 5-cio krotne)
Wykres sigma/epsilon (RYS) RH – granica proporcjonalności Hooka jest to naprężenie do którego odkształcenia są
proporcjonalne do naprężeń (wykres liniowy), RS – granica sprężystości jest to naprężenie odpowiadające odkształceniu
0,01%, Reg – granica sprężystości górna, jest to naprężenie po osiągnięciu którego następuje plastyczne płynięcie, czyli
wzrost wydłużeń bez wzrostu naprężenia. Punkt 4 jest to punkt wzmocnienia stali odkształcenia ( l/l = 15%, od punktu
3 do 4 l/l = 0,13 – 0,17% , w punkcie 5 20-30%)
Udarność określa się jako pracę potrzebną do złamania próbki. Służy to ocenie cech plastycznych stali. Badanie młotem
Charpiego na próbkach długości 55 mm i przekroju 10 x 10 mm. Próbka ma podcięcie z jednej strony (karb osłabiający)
(RYS). Mamy 5 odmian plastyczności wg ISO A,B,C,D,E zależnych od progu udarności i temperatury badania. Odmiana
A – bez badania udarności bez określonej temp. pozostałe odmiany udarność 35J/cm2 i odpowiednio temp. 20,0,-20,500C. Stale kriogeniczne – stale wysokostopowe (nikiel 13%) do –1600C odmiany F,G,H odpowiednio przy takim
samym progu udarności do temperatur –80,-120,-1600C.Dla stali wysokich wytrzymałości, niskostopowych, próg
udarności 50J/cm2 oznaczane są podwójnym symbolem np. AA,BB. Dla stali specjalnych stosuje się inne skale
plastyczności i inne wymagania. Dla karbu Mesnagera „U” stale R,J o progu 30J/cm2 i temperatur –40 i 200C.
Wytrzymałość stali na działanie wysokich temperatur: Stal jest materiałem ognioochronnym a nie ognioodpornym. Przy
podgrzaniu do 5000C wytrzymałość stali spada 50%. Przy zwiększaniu temp. do 250-3000C wytrzymałość wzrasta by
potem nagle się załamać. Podobnie jest z granicą plastyczności. Moduł Younga spada cały czas liniowo. Wydłużenie w
temp. 7000C wynosi 70%. Stosuje się stale żaroodporne (drogie) w miejscach o wysokich temperaturach. Stal ma
wymagania ochrony przeciwpożarowej (konieczne zatwierdzenie atestu ogniowego). Stosuje się ochronę stali: odcięcie
źródła ciepła – mur osłonowy klinkierowy, okładzina betonowa (3cm na siatce daje 1h i więcej), okładziny
prefabrykowane, natrysk z włókien szklanych, specjalne pęczniejące farby ochronne.
Typy korozji:
- w wyniku działania kwasu węglowego(CO2)-w wyniku zmian elektrochemicznych
- w wyniku zmian czysto chemicznych.
Korozje występują w naturze mieszane Nie chroniona pow. Stali składa się z ogniw galwanicznych .Cząsteczki te są
anodami ,a wszystkie inne jak zendra, zgorzelina tlenki ,skł. stopowe, wysady węglikowe stanowią katodę Elektrolitem
jest wilgoć atmosferyczna . Atomy Fe rozpadają się w elektrolicie na kation Fe i dwa elektrony .Kationy są przyciągane
przez stal i szybko by utworzyły warstwę ochronną gdyby nie to że wolne elekt. przechodzą przez metal do katody. Na
jej powierzchni następuje rozpad wody na 2OH- oraz wolny wodór 2H. Kationy żelaza łączą się z 2OH- tworząc
Fe(OH)2 , który w postaci jasnego nalotu osadza się na anodzie .Te chwilową równowagę psują atomy tlenu rozpad się w
elektrolicie, gdyż łączą się one z H i tworzą grupy OH- i dalej łączą się z Fe(OH)2 tworzą Fe(OH)3 .Już luźną, gąbczastą
odstającą od podłoża rdzę.
Rodzaje korozji w budownictwie:
- atmosferyczna 96-98%
- ziemna-wodna-chemiczna- pod wpływem prądów błądzących
- naprężeniowa i międzykrystaliczną ,nie mają oznak pękają kryształy ,trudno je opanować.
Jak walczymy z korozją? - stale nierdzewne, są trudnospawalne i 10-50x droższe.-powlekanie, odcięcie od wilgoci w
powietrzu. Powłoka malarska4-6 warstwa. Dolne to podkład np. minia ołowiana60%,cynkory,cynkany i inne farby
pasywujące podłoże. One stanowią rzeczywiste zabezpieczenie. Muszą być doskonale przyczepne .Warstwy grubości
możliwie najcieńsze30-50 mikronów. Sumaryczną grubość 150-200 ,kolejne warstwy nakładane po wyschnięciu
poprzedniej- to gwarantuje idealną przyczepność i eliminuje skurcz .Na to 2-3 warstwy nawierzchniowe ,które chronią
dolne przed zniszczeniem mechanicznym. Różne kolory warstw dla sprawdzenia .
Najważniejsze jest oczyszczenie powierzchni w stopniach czystości:1 st czystości-tylko piaskowanie lub śrutowanie.
Powierzchnia metaliczna srebrzysta +połysk.2 st czystości-j/w ale nie tak dokładnie, inne metody mechaniczne szlifierki
skrobaczki opalanie .Powierzchnia może być matowa ale bez rdzy i zgorzeliny i bez tlenków ,dopuszcza się małe plamki
tlenowe o powierzchni do 0,2cm2 ściśle przyległe do podłoża w ilości do 10% .Powierzchnia nie może pylić.3 st
czystości –pow niejednolita ,bez rdzy i zgorzeliny luźno przyległej czyszczenie mechaniczne ręczne.
Metalizacja - pokrywanie innym metalem np. cynkiem(wanny 12 metrowe)Cynkowanie zabezpiecza na 50 lat. Wieże i
mosty. W PL w temp.460stopni cynkujemy, w Niemczech 760-to daje lepsze wyniki. Można cynkować lub aluminiować
przez natrysk. Metalizację stosujemy coraz częściej . Cynkuje się ok. 80-85%konstrukcji(na zachodzie).
Powłoki z tworzyw sztucznych - przed agresja chemiczną. Tworzywa należy dobrać do składu chemicznego medium
korodującego. Stosujemy różne grubości powłok .Najczęściej stosujemy w kominach i kanałach.
Okładziny z różnych rodzajów gumy - skład gumy dobrany odpowiednio, najtrudniej zawsze wykonać styki.
Rodzaje stali (ponad 100 odmian w budownictwie):
- węglowa zwykłej jakości StO (mała wytrzymałość konstrukcje 2 i 3-rzędne, nie podlegające wymiarowaniu
wytrzymałościowemu).
- węglowe wyższej jakościSt3(S,X,Y),St4-stale do wszystkich konstrukcji, na obciazenia statyczne i dynamiczne.
- niskostopowe - 18G2(G2A),18G2AV(z vanadem),18G2Acu(lepsze na korozje),15GA,15G2ANNb(z
niobem),15HNMBa(z
barem),15G2VA zamiennik 18G2A
- wieloskładnikowe,13HNMBa, 14HNMBCu
i inne - specjalne o zwiększonej odporności na korozję :CORTEN,10H,10HA,10HAX, produktem ich korozji jest
warstwa tlenkowa-szczelna i silnie przylegająca do podłoża .Produkt korozji zabezpiecza konstrukcję. Nie stosuj tam
gdzie są ścierania i uszkodzenia - zboże, piach, cement.
- kwasoodporne (40 rodzajów)
- kriogeniczne(do niskich temp) są wysokostopowe. Mają do 12% niklu.
- żaroodporne(wiele rodzajów) 10-30x droższe od zwykłej. Ponadto stosuje się:St3M-o dobrej udarności St2N i St44Nna
śruby ,nity i sworznie,-34GS,60GS,35SG-twarde,D90-wysokowęglowa 10x wytrzymalsza od zwykłej .Stosuje się na
cięgna,
kable, struny. 240 kN/cm2-do 1,5 mm, 160kN/cm2- do5-7mm, Stal sprężynowa
- stal wysokokrzemowa 45S.Odnosimy naprężenia pierwotne do granicy plastyczności oraz udarność dodatkowe
charakterystyki to spawalność, udarność, kujność.
Wyroby:
- pręty okrągłe (nity, śruby) od 5,5 – 150 mm, długość do 14-15 m –
- płaskowniki 20-150mm szerokości, walcowany jednokierunkowo, grubość 6-40 mm, dług. do 9 m.
- pseudopłaskowniki 151-700 mm szerokości, walcowane dwukierunkowe są to uniwersalne. Na pasy do ciężkich
blachownic, grub. 5-55 mm. dl. do 14 m.
- kątowniki - równomierne, - nierównomierne: o stos. boków 1:2, o stos. boków 2:3.
walcowane:
15x15 mm, 200x200 mm w nierówno 200, kątowniki do 100 mm (co 5 mm idą półki)Pow. 100-200 (co 20 mm),
grubości
pólek, co 1mm lub 2 mm np. 7,9,11 lub 8.10,12 i inne. Produkcja ciągła do 120 m.
- teowniki wysoki h:b=1:1, niski stos. wys. podst. 1:2,
- ceowniki do 330 mm – normalne –12% pochylenia stopek, pocienione-(średnik),ekonomiczne-(średnik i zmiana kąta),
równoległościenne.
- dwuteowniki zwykły, o pocienionych średnikach, ekonomiczne, równoległościenne (pasy) I PE łatwo spawane,
szerokostopowe HEB do 300 mm wys. = szer. Pasa Pow.300 mm – szer. pasa 300 do 600 mm (USA, Japonia 1200
mm).
Poza walcowanymi huty dostarczają spawane we wszystkich układach geometrycznych KS,HKS,PBS,KSH z blach.
- szyny - kolejowe (np. jako odzysk, - do wózków, do suwnic natorowych.
- szyny zwykłe S18-S24, S42-S60-S49.
- szyny dźwigowe SD (specjalne), szyny kolejowe wys. 180 mm, Wysokości SD-wysokość górna, 65-szerokość
podstawy
175 mm,75,85,100-szer. Podst. 200 mm
- blachy walcowane-gładkie, cienkie do 5mm grube 5-10mm,-żeberkowe,blachy na pomosty, występują garby, by
zmniejszyć poślizg ,dla bezpiecznego chodzenia żeberka wystają 1,2-1,8mm. Blachy walcuje się w arkuszach w
wymiarach
1000x2000mm lub1500x3000mm, oraz zależnie od grubości o szerokości 1500x3500mmm do długości 18 m.
Najczęściej do
6m(duże zbiorniki).- rury - walcowane(konstrukcyjne) ,bezszwowe , średnice od20-508mm(skoki dowolne)zawsze średnica zewnętrzna, bo
są
różne grubości ścianek od 2,5-30mm,rury mogą być walcowane na gorąco lub na zimno. Rura konstrukcyjna
bezszwowa
ma na końcu literę K:-spawane od średnicy 100mm do 8 m. Spawane mijankowo ,by nie zwiększać naprężeń po
spawalniczych. Spawamy też spiralnie.- wytłaczane - blachy nieckowe, ma to zmniejszyć drgania zmęczenie+ łatwa
korozja.-blachy faliste, żeberkowe śruby nity, sworznie.- zimnogięte dotyczy wyrobów z blach o grubości 1,52,5mm,ale
też do 10mm.wykonujemy słupy i belki. korzyści materiałowe 20-30$a nawet w 3D lub ramach do 50%.
Wymiarowanie:
- zasady: wymiarowanie jest kompromisem między możliwie największym bezpieczeństwem a ekonomia budowli.
- czynności: - obliczenie sił wewnętrznych, naprężeń odkształceń, przemieszczeń,
- określenie własności mechanicznych materiału wraz z określeniem przekrojów elementów
zapewniających
wymagane bezpieczeństwo,
Rozpatruje się na kilka schematów statycznych przyjmując najlepszy. Należy rozpatrywać układy płaskie i przestrzenne
lub uprzestrzennione układy płaskie.Konstrukcje stalowe wymiaruje się z uwzględnieniem 3 warunków
wytrzymałości,sztywności, warunek stateczności (lokalnej i globalnej).Metody wymiarowania: -naprężeń
dopuszczalnych:k1-tylko obciążenie zasadnicze k2-zasadnicze+dodatkowe,wsp. Pewności1,58-1,68(pierwszego rodzaju) i
1,4(drugiego rodzaju)-naprężeń granicznych zmodyfikowano obciążenia, 0,87Re- są bardzo wysokie.-stanów
granicznych. Model ciała spreżysto plastycznego. Przy czystym zginaniu uzyskanie przegubu jest niemożliwe. Moment
graniczny sprężystości –plastycznej = momentowi przegubu plastycznego.Od sił poprzecznych występują naprężenia –
One szybko wytworzą przegub plastyczny. RYS. Przyspiesza występuje przegub plastyczny- złożony stan naprężeń
δz=√(δx2+δy2-δx *δx+3τ2) . RYS. Opis rysunku: Prosta 1-1 graniczny stan momentu sprężysto – plastycznego( czyli
wysokość jądra plastycznosci= 1/10h) , m-n – odkształcenia w powyższym stanie .Odciążamy belkę w strefach
całkowitego uplastycznienia , odkształcenia cofając się trochę .Układ wraca do postaci pośredniej 2-2 po odciążeniu.
Układ gotowy do kolejnego obciążenia. Po dociążeniu układu wraca do postaci 1-1. Przy kolejnych cyklach obciążania
narastają ugięcia, wówczas zaleca się wymiarowanie na wskaźnik wytrzymałości średni = (Wplast.+Wspręż./2),
Wplast.=całka od 0 do y1 (bydy)+ całka od 0 do y2(bydy). Stosunek momentu plastycznego do momentu granicznego
sprężystego będzie zależeć od przekroju poprzecznego elementu zginanego. Rys. stosunek α=(Mplast./Mspręż) Belka
kratowa – najlepszy element na zginanie.
Ugięcie belek w stanie sprężysto-plastycznym. Ugięcie można obliczać podobnie jak w stanie sprężysym. y = całka od 0
do h(M1dϕ) , M1- moment od siły 1(wirt.) zaczepionej w punkcie liczenia ugięcia ,dϕ - elementarny kąt obrotu,
dϕ=Mdx/Dgs, Dgs- sztywność na zginanie sprężysta ( dla belek EJ), w stanie spręż- plast. EJ. Rys. opis rysunku .I-strefa
całkowicie sprężysta , II-strefa uplastycznina w obrębie pasów ,III- strefa uplastyczniona w obrębie środnika , dopuszca
się wciągnięcie strefy II – troche do I i do III , dzielimy na pół.
Połączenia:
- stałe (nitowane,spawane , zgrzewane, klejone , mieszane),
- rozbieralne (śruby-sprężające lub zwykłe ,sworznie).
Najczęstsze to połączenia spawane. Sa bardzo dobre .Są stale dobrze i słabo spawalne(trudno). Nie ma stali niespawalnej.
Mogą być różne wytrzymałości. Połączenia sworzniowe- do wytwarzania przegubów w połączeniach np. słup+dźwigar,
słup+fundament, do obrotowego stawiania kominów. Rys.(kratownica ze sworzniami w węzłach) sworzeń 50-100mm .
Połaczenia śrubowe stosuje się:
- gdy połączenie nie może być wykonane na montażu,
- gdy łącznik ma pracować na rozciąganie ,
- gdy łączy się elementy lane,
- gdy utrudnione jest nitowanie i spawanie.
śruby o gwincie ... wg . skali Sellersa , śruba sześciokątna. Gwint ostrokątny. Śruba surowa: trzpień z łbem ,przy
nagwintowywaniu trzpienia na całej długości 0,5;0,33;0,67-dł. trzpienia oraz z nakrętki i podkładki 0,25. Nakretka
wysokość 0,8d ,łeb wys. 0,65d . Podkładka w śrubie –dopuszcza się wejście gwintu w obręb łączonych elementów na 1,5
zwoju.. Do konstrukcji M10-M30 –zaleca się jednak M30, są jednak wyjątki ,śruba sześciokątna
M10<M12<M16<M20<M24<M27<M30 Rys. opis rysunków śruba zakładkowa na montażu , śruba + otwory na
montażu , śruba ciasno pasowana ,śruba specjalna z nakrętką czworokątną , łeb z przodu nakrętka z tyłu , śruba
sprężająca skręcana momentem sprężającym .
Śruby zbieżne – do łączenia pakietu 4-5 blach . nie ma lepszego
połączenia dla pakietu blach. Rozwierca się blachy a potem rozwiertakiem stożkowym. W łeb bije się młotkiem.Śruby
zbieżne z dwustronnymi nakrętkami. Rys.
Wkręty do stali:
- śruby kotwowe
- śruby młoteczkowe , nakrętka rzymska- gwint prawy oraz lewy jednocześnie .
Połączenia na śruby zwykłe mogą być wykonane ze śrub: -zgrubnych 8-52mm (wytłaczane) , może być niecentryczny
układ łba, dlatego mogą być wykonywane jako tymczasowe montażowe , nie podlegające obliczeniu ; - średniodokładne
– najczęstsze , wszelkie połączenia obliczenia, bez względu na ;- pasowane, bez luzów (toczone, B.Biała z dok. 0,05mm)
Wytrzymałość śruby zależy od średnicy i klasy materiału (różne stale) .Zależnie od klasy różnią się znacznie nośności
śrub . np.M20-5,8 .Powszechnie stosowane klasy to 3,6 ;4,6 ;4,8 ;5,6 ;5,8 ;6,6 ;8,8 ;10,9 ;12,9 ; pierwsza cyfra oznacza
0,1 granicy wytrzymałości na rozciąganie , druga to 0,1 procentowego stosunku granicy plastyczności do granicy
wytrzymałości ;np. 4,6 –granica plastyczności 60% , iloczyn tych cyfr podaje graniczną plastyczność w KN/m2
Połączenia nitowane wykonywane na gorąco . Nit surowy trzpień + łeb ,na pewnej części trzpień jest zbieżny . łby
różne , podstawowe to łby kuliste zwykłe. Rys. opis rysunków : kulisty zwykły , wpuszczany o łbie płaskim ,
soczewkowe , kulisty powiększony tzw. szczelno-mocne na duże obciążenia i konstrukcje o dużej szczelności (zbiorniki)
; Średnica trzpienia nitu jest mniejsza o 1mm od średnicy otworu łączonych elementów.; Zaklepywanie nitów na gorąco
,ale min o ϕ<11mm. Średnicą obliczeniową nitu jest średnica otworu łączonych elementów;
Zaklepywanie to 2 etapy:1) spęcznianie - trzpienie nitu w otworze , po zakończeniu spęczniania powinna następować
faza 2 , formowanie zakówki, stąd też ograniczenia długości trzpienia nitu do jego średnicy. Zakończenie zaklepywania +
formowanie zakówki musi się odbywać w temp. 600,500 0C . Nit stygnie do temp. otoczenia i w wyniku sił skurczu
wywołuje znaczne siły docisku łączonych elementów. Naprężenia rozciągające w nicie przekraczają 0,5-0,7 granicy
plastyczności.
Połączenia zakładkowe. W pierwszej fazie elementy pracują na tarcie ( to poprawia wytrzymałośc zmęczeniową
połączenia w przypadku gdy dynamiczna część obciążenia mieści się w nośności na tarcie elementów łączonych ). Ta
faza pracy na tarcie przekazuje do 0,3 nośności ( to jest dużo). Stosując specjalne technologie zaklepywania uzyskuje się
zwiększenie długości trzpienia do 8 ,a nawet 10d. Sposób 1 - częściowe schładzanie trzpienia nitu ( na częsci
przeznaczonej na zakówkę). Część tę schładzamy do około 1500C , w pierwszej fazie nastąpi dokładniejsze wypełnienie
otworów i po zakończeniu wpędu następuje formowanie zakówki Sposób 2 - przez stosowanie dwustopniowych głowic
nitach. W pierwszym etapie stosuje się nakładki tulejowe nie pozwalające na formowanie zakówki przed zakończeniem
wpędu. Po zakończeniu wpędu nakłada się głowice stosownie do rządanego kształtu zakładki. Polegający na stosowaniu
specjalnych obcęgów – po zakończeniu zdejmujemy obcęgi i zaklepujemy zakówkę dowolną głowicą.
Wady niedopuszczalne ( z szeregu określonych normą):
- nit luźny ,
- nit z częściowo nie przylegającym łbem lub zakówką ,
- nit z łbem pękniętym lub zakówką ,
- niedokładne wypełnienie otworów łączonych elementów. Badamy to przy pomocy opukiwania . Niedokładne
wypełnienie
otworu sprawdza się patrząc na zakówkę ,która jest większa.Naprawa to wymiana na nowe – tylko!
Praca nitu Rys.– nity powinny pracowac głównie w połączeniu zakładkowym , a zatem na ścinanie i docisk. Dopuszcza
się prace na rozciąganie , jednak nie wyłącznie na rozciąganie. Dopuszczalne obciążenie nitu na rozciąganie to 0,3Rm*A
Śruby sprężające - idea pochodzi z nitów ,zasada: obciążenie przenoszone przez tarcie łączonych elementów. Istota w
wykonaniu jakości połączenia np. doczołowe z dokładnością aptekarską .
Zalety połączeń sprężających-złącza całkowicie rozbieralne, - złącza zakładkowe pracują na tarcie stosowanie dużych
powierzchni łączonych elementów , dlatego nie występuje tu niszczenie łączników i wyrabianie otworów ,- ze względu
na przenoszenie siły przez tarcie w wielu przypadkach , można nie uwzględniać osłabienia przekroju, a we wszystkich
występuje znaczne zmniejszenie osłabienia. ,- nie ma potrzeby okresowej kontroli i wymiany łączników w obciążeniach
dynamicznych . Minusem są straty opóźnione (relaksacja i pełzanie) , które powodują kilkuprocentowe zmniejszenie
nośności . Stal na śruby o wysokiej wytrzymałości odkształcenia. W śrubach ze względu na duże siły docisku stosuje się
dwie podkładki,(pod łeb i pod nakrętkę). Są większe i o trzech grubościach 3mm dla śrub o ϕ do 14mm , 4mm ϕ 14mm
–24mm, 5mm ϕ >24mm. Podkładki są fazowane na obu krawędziach . Klasa podkładki 10.
Nośnośc zależy od przygotowania powierzchni, współcz. tarcia może wzrosnąć z 0,2 do 0,55. dodajemy klej , a w niego
opiłki kurdynowe , które sa wgniatane w element ( f nawet 0,7 w laboratoriach) . Śruba sprężająca jest bardzo dokładnie
wykonana , ma podtoczenie pod łbem , by docisk do podkładki był jak najlepszy. Dokręcamy kluczem pneumatycznym
lub dynometrycznym. Rys. opis rysunków: : połączenie zakładkowe, poł. doczołowe .Siła sprężająca w śrubie zawsze
jest taka sama np.100 t. Zmienia się tylko pochodzenie tej siły . Śruba nie doznaje zmęczenia dynamicznego. Śruby
spręża się w kolejności zaznaczonej przez projektanta . Sprawdza się odpowiednie dokręcenie śrub. Różnica 1/6 obrotu.
Obliczenie opiera się głównie na sprawdzeniu nośności łączników ścinanie lub docisk w połączeniu zakładkowym oraz
rozciąganie w połączeniu doczołowym. Tutaj może wystąpić złożony stan naprężeń , np. w przypadku braku stolików
podpierających i wówczas obciążenie prostopadłe do łączników będą przenoszone przez docisk lub przez ścinanie albo
przez tarcie w stykach sprężonych. Ponieważ uprzestrzennienie stanu naprężeń powoduje obniżenie nośności śruby ,
należy unikać tego typu rozwiązań.
Połączenia spawane - spawanie to proces stalego cieplnego laczenia metali. Rozroznia się spawanie lukowe i
gazowe.Konstrukcje obliczone wytrzymal wykonuje się wylacznie za pomoca spawu lukowego, czyli za wykorzystaniem
energii luku elektr. Spawanie gazowe za pomoca acetylenu wylacznie do elementow galanterii budowlanych i elementow
czasowych, nie podlega sprawdzeniu wytrzymalosc.
Spawanie łukowe dzielimy na:
- spawanie elektroda topliwa:
- za pomocą elektrody otulonej,
- spawanie lukiem krytym pod topikiem,
- w oslonie gazow ochronnych,
- spawanie elektroda nietopliwa:
- elektroda węglowa lub wolframowa,
- spawanie atomowe,
- spawanie w osłonie gazow.
Spoina - część złącza składająca się z metalu stopionego podczas procesu spawania. Może ona wyłącznie powstać ze
stopionego rodzimego albo przy udziale materiału dodatkowego doprowadzonego z zewnątrz zwanego spoiwem.
Podczas spawania metal w mniejszym lub większym zakresie przechodzi przez fazę ciekłą, więc będzie w niej
wykazywał większe powinowadztwo z gazami powietrza łącząc się z nimi lub rozpuszczając je w sobie. Jedno i drugie
pogarsza znacznie własności mech złącza. Walczymy z tym poprzez stosowanie rożnych procesów spawania w
zależności od rodzaju stali.
Krzepniecie spoiny z uwagi na małe jeziorka roztopionego metalu przebiega stosunkowo szybko, co wywiera istotny
wpływ na strukturę tej partii materiału rodzimego w której pod wpływem ciepła spawania będą zachodziły różne zmiany
strukturalne. Zakres zmian i szerokość poszczególnych stref są zmienne w dużym zakresie i zależne od wielu czynników.
Wyróżnia się kilka specyficznych stref o zróżnicowanych w stosunku do siebie zmianach:1529C- temp topnienia stali, 1
strefa- częściowe roztopienie, 2 strefa- 1480-1100C- przegrzanie, 3 – 1100-860 normalizacja zupełną, 4 – 860- 700
normalizacja niezupełną, 5- 700- 500 rekrystalizacja, 6- 500-200 kruchość na niebiesko. W strefie 1 występuje
częściowo roztopiony materiał przemieszany ze spoiwem, w 2 występuje struktura gruboziarnista, przechodząca w
strukturę Wudmanstedtega, charakteryzuje się znacznym spadkiem udarności, 3 i 4- struktura drobnoziarnista, własności
mech na ogol lepsze niż przed spawaniem, 5 ziarna zgniecone podczas obróbek różnego typu ulegają odbudowie
osiągając czasem rozmiary większe od ziaren przed zgniotem i odwracając w części lub całości efekt zgniotu, 6 tu
występuje wzrost wytrzymałości przy spadku wydłużalności i udarności. W stalach nieuspokojonych jest to ponadto
strefa intensywnego starzenia się materiału. Przy spawaniu, przy większej liczbie spoin stosuje się stale uspokojone lub
półuspokojone, by złagodzić powyższe niedomagania. Zakres stref jest zmienny i zależy od metody i parametrów
spawania. Najszersze strefy wpływu występują przy spawaniu gazowym a najwęższe przy spawaniu automatem pod
topikiem lukiem elektr.. budowa spoiny jest zwykle dendrytowa- ziarna są ułożone kierunkowo, a w osi symetrii spoiny
występuje koncentracja zanieczyszczeń, co wpływa na obniżenie wytrzymałości zmęczeniowej. Większe osłabienia będą
w spoinach grubych , które należy układać warstwowo, bowiem układanie każdej kolejnej warstwy powoduje
normalizacje zupełną. Poprzez spawanie takie zawęża również strefę wpływu ciepła i wpływa dodatnio na odcinek
przegrzania co wiąże się ze zwiększeniem udarności i wydłużalności. Podczas spawania na płynny metal działa
otaczająca atmosfera gazy z otulin, składniki materiału rodzimego i składniki żużlotwórcze.. zasadniczo głównie
zachodzi utlenianie metalu i redukcja tlenków. Otuliny elektrod wytwarzają atmosferę ochronna odcinająca dostęp
gazów atmosferycznych do spoiny, odcinają także dostęp tlenu. Niektóre ze składników otulin wiążą się z tlenem
tworząc z nim tlenki przechodząc do warstwy żużlowej, są to głównie węgiel krzem i tytan, mangan.. siarka wolna w
spoinie tworzy siarczek, który wydziela się na granicy ziarn i wywołuje pęknięcia spoiny na gorąco. Podobnie zachowuje
się wodór. Ogranicza się ilość wodoru w spoinie poprzez suszenie elektrod, czyszczenie krawędzi z organicznych
zanieczyszczeń oraz chronić strefę spawaną przed działaniem opadów.
W złączu spawanym różne warunki stygnięcia oraz skurcz materiału wywołują stosunkowo znaczne zróżnicowanie
struktury oraz naprężenia pospawalnicze. Podstawowym oznaczeniem dla określenia spawalności stali ma tzw
równoważnik węgla.(Ce) Jest to zapis ujmujący w różnej konfiguracji % zawartość różnych mikroskładników stali, które
w różnych stalach będą różnie wpływały na własności mech złącza. Jeżeli Ce <0.38 to stal w zakresie do grub 20mm jest
łatwo spawalna, 0.38- 0.42 to stal jest spawalna z ograniczeniami, jeśli Ce większe od 0.42 to trudno spawalna. Jeżeli
blacha grubsza od 20mm aby uzyskać te same wl spoiny musi ulec obniżenie, Ce=0.3 dla łatwospawalnych.
Wytrzymałość poprawnie wykonanej spoiny jest przy obc statycznym nie mniejsza niż wytrzymalosc materiału
rodzimego. Mniejsza jest wytrzymalosc zmęczeniowa. Podwyższamy ją poprzez wyżażanie odprężające przez
zeszlifowanie nadlewu spoin czołowych oraz zakończeń spoin pachwinowych. Spawanie sufitowe- możliwe dzięki temu
ze wypadkowa sil grawitacji roztopionej masy spoiny , siły elektrody luku, podmuchu gazow otulin elektrod jest zawsze
skierowany ku łączonemu elementowi.
Rodzaje spoin: czołowe i pachwinowe: otworowe, bruzdowe, kroplowe, przerywane. Odmiana spoin czołowych są
spoiny kołkowe- nity spawane. Spawanie elementów konstrukcyjnych wymaga stosowania elektrod otulonych. Tylko w
automatach z lukiem krytym drut spawalniczy nie musi posiadać otuliny. Otuliny wywołują istotny wpływ na własności
mech złącza. Rozróżniamy otuliny :cienko- średnio- grubo-otulone odp dla 10%, 10-40%, pow 40% gr otuliny w
stosunku do średnicy drutu elektrody. Elektrody posiadają o różnych składach pod względem chem: kwaśne- zasadowerutylowe- rutylowokwasne- utleniajace-celulozowe. W otulinach kwaśnych i rut-kwas występują duże ilości tlenku
żelaza tytanu i manganu. Elektrody te stosuje się do stali łatwospawalnych. Elektroda zasadowa o zawartości węglanu
wapnia i magnezu stosuje się je do spaw stali niskostopowych o podwyższonych wytrzymałościach. Spawa się nimi
tylko przy użyciu prądu stałego.
Składniki otulin elektrod:
- składniki jonizujace przestrzeń łukową,
- składniki żużlotwórcze: granit i rudy żelaza,
- skład upłynniające żużel: rutyl i fluoryt
- składniki wiążące masę otulinowa: lepiszcza ,
- składniki gazotwórcze : celuloza i mączka drzewna,
- składniki stopowe uszlachetniające spoinę: nikiel i molibden. Drut elektrody powinien posiadać jak najmniej siarki i
fosforu max 0.03% każdego z nich.