metale.doc

Stal – stop żelaza z węglem i innymi pierwiastkami otrzymywany w procesach stalowniczych oraz obrabiany plastycznie. Max. zawartość  węgla w stali wynosi 2%. Natomiast w budownictwie stosuje się stale, w których zawartość węgla mieści się miedzy 0,2 – 0,7%. W stalach na konstrukcje nośne ilość węgla nie przekracza 0,3%. Ze względu na swą strukturę, sprężystość i izotropowość, stal najbardziej odpowiada założeniom teorii sprężystości. Jest doskonałym materiałem konstrukcyjnym ze względu na swą wysoką i zbliżoną wytrzymałość na rozciąganie, ściskanie i zginanie oraz dużą wytrz. na ścinanie. Ponadto stal ma wiele cech plastycznych: ciągliwość (możliwość gięcia, prostowania, skręcania oraz walcowania na zimno i gorąco), udarność, spawalność (możliwość produkcji szerokiego asortymentu prod. stalowych). Współczesna technologia masowej produkcji stali polega na 2 stopniowym przerobie rudy żelaza na stal surową. W 1 fazie przerobu w wielkim piecu następuje redukcja żelaza jako pierwiastka z tlenowych związków ród i oddzielenie od skały płonnej. Produktem tu jest surówka żelaza. W 2 etapie w piecach Martenowskich lub w konwentorach tlenowych usuwa się z surówki domieszki do granic wymaganych, a zanieczyszczenia do granic dopuszczalnych. Produktem procesu utleniania jest stal.

Feryt – roztwór stały węgla w żelazie krystalizujący w układzie regularnym przestrzenno centrycznym. Jest miękki i plastyczny, gdyż stanowi prawie czyste żelazo.

Austenit – roztwór stały węgla w żelazie krystalizujący w układzie regularnym płaskocentrycznym.

Cementyt – zwany węglikiem żelaza krystalizuje w układzie rombowym. Występuje w 2 postaciach: pierwotny (krystalizujący z roztworem ciekłego węgla w żelazie zgodnie ze zmianą rozpuszczalności), wtórny (wydzielający się w stanie stałym z austenitu w skutek malejącej rozpuszczalności węgla w żelazie ), cementyt trzeciorzędowy (wydzielający się z ferrytu, również w skutek małej rozpuszczalności w żelazie ). Bardzo twardy i kruchy.

Stale niestopowe (węglowe) – stal o niskiej zawartości węgla poniżej 0,1% ma strukturę prawie czysto ferytyczną (miękkie, plastyczne). Przy większej zawartości węgla w strukturze stali pojawiaj się perlit płytkowy. Fosfor i siarka są składnikami powodującymi kruchość stali, pozostałe pierwiastki jak mangan i krzem poprawiają własności.

S – stal spawalna

X – stal nieuspokojona

Y – stal półuspokojona

Cu – stal z dodatkiem miedzi

V – z dodatkiem wanadu

Znak stali niskostopowej składa się z liter i cyfr. Pierwsza liczba oznacza w przybliżeniu średnią zawartość węgla w setnych %, litery określają pierwiastki stopowe, liczba po literze oznacza % max zawartość pierwiastka stopowego. A- wyższa jakość i ograniczona zawartość siarki i fosforu.

Stale budowlane

Podstawowe stałe materiałowe dla wszystkich gatunków stali, niezależ­nie od struktury wewnętrznej i składu chemicznego, są następujące:

1) masa objętościowa γ = 7850 kg/m3 ;

2) moduł sprężystości podłużnej E = 205 GPa;

3) moduł sprężystości poprzecznej G = 80 GPa;

4) współczynnik Poissona v = 0,30 ;

5)współczynnik rozszerzalności cieplnej liniowej e = 0,000012 1/0C;

6) współczynnik tarcia kinetycznego w łożyskach podporowych: [PN-90/B-03200]

a) przy ślizganiu płaskich powierzchni t = 0,2 ,

b) przy ślizganiu powierzchni krzywej po płaskiej t = 0,1 + 0,2 ,

c) przy toczeniu t = 0,03.

Formy zniszczenia elementów stalowych : plastyczne i kruche.

Zniszczenie plastyczne powstaje w skutek pokonania spójności materiału w płaszczyznach poślizgu (w przypadku takiego złamu plastycznego, dla określenia naprężenia zredukowanego stosuje się hipotezę Hubera- Milesa – Henckyego). Zniszczenie kruche występuje wówczas gdy obciążenie wywoła w płaszczyznach sieci naprężenia przekraczające spójność materiału, hipoteza deSaint-Venanta. Stal i stopy aluminium w obszarze zwykłych temp. eksploatacyjnych przy prawidłowym kształcie elementów oraz przy prawidłowej technologii ich wykonania wykazują zazwyczaj zniszczenie plastyczne. Stal ulega kruchemu zniszczeniu w obniżonych temp.

Zasady obliczeń eksploatacji

Konstrukcje w przeciętnych warunkach eksploatacji korozją i w temp. mniejszej od 150 C. wartość zmienności naprężenia musi być , . Przyjmuje się, że zakres zmienności naprężeń określa się na podstawie wartości charakterystycznych obciążeń eksploatacyjnych pomnożonych przez wsp. dynamiczny i wsp. konsekwencji zniszczenia . W przypadku występowania naprężeń przemiennych lub wyłącznie ściskających , będziemy obliczać ze wzoru: . W przypadku nieregularnej zmienności naprężeń zakres zmienności nap. określamy jako zakres równoważny. wsp. niejednorodności widma.

Nośność konstrukcji

Deterministyczna ocena bezpieczeństwa

Deterministyczna ocena bezpieczeństwa wiąże się z wartościami nominalnymi (normowymi) tak naprężeń dopuszczalnych jak i obciążeń określonymi głównie na podstawie doświadczenia zdobytego przy realizacji takich samych lub podobnych konstrukcji budowlanych.

Metoda stanów granicznych

- stan graniczny nośności lub zniszczenia

- stan graniczny użytkowania

W koncepcji stanów granicznych wprowadza się na rachunku prawdopodobieństwa i statystyce matematycznej analizę niektórych parametrów niezawodności (np. cech wytrzymałościowych i geometrycznych wyrobów stalowych, a także obciążeń działających na konstrukcje) oraz arbitralne potraktowanie pozostałych parametrów bezpieczeństwa np. konsekwencji zniszczenia konstrukcji. W koncepcji tej uwzględnia się prace konstrukcji w obszarze sprężysto plastycznym. W metodzie naprężeń dopuszczalnych operuje się obciążeniami charakterystycznymi podczas gdy w metodach stanów granicznych wprowadza się obciążenia obliczeniowe. Odpowiednio w met. nap. dop.  wymiarowanie odbywa się na podstawie wartości obliczeniowych fd wytrzymałości. Współczynnik n dotyczy cech mechanicznych i geometrycznych konstrukcji, obciążenia działającego na konstrukcje oraz dokładności obliczeń i ich zgodności z rzeczywistą pracą konstrukcji.

Obliczenie poziomu pierwszego (półprobalistyczne)

Sprawdzenie niezależności opiera się na wartościach obliczeniowych. Obciążenie: F= uwzględniamy losowość obciążenia. Wytrzymałość obliczeniowa: fd=fyk/

- możliwość niekorzystnych odchyleń losowej wytrzymałości materiałów od wartości charakterystycznej, różnice między własnościami konstrukcji i własnościami uzyskanymi w badaniu próbek.

możliwość niekorzystnych odchyleń obciążenia od wartości charakterystycznych

Niepewność modelu teoretycznego

wsp. konsekwencji zniszczenia, uwzględnia sposoby zniszczenia konstrukcji: bezpieczne (ciągliwe), niebezpieczne (kruche), +kontrola i dostęp do węzłów niebezpiecznych

Metody probabilistyczne 2 rodzaju (poziomu) polegają na ustaleniu łącznego kryterium niezawodności dla wsp. tolerancji obciążenia i nośności

Metoda stanów granicznych

W normach technicznych wprowadzono 2 określenia:

fyk – wytrzymałość charakterystyczna

fd – wytrzymałość obliczeniowa

Przyjmuje się, że fyk jest równa wytrzymałości normowej, obciążenie charakterystyczne jest równe obciążeniu normowemu. Przyjmuje się że przekroczenie stanów granicznych oznacza naruszenie założeń projektowych.

Objawami 1 st. gr. są:

- utrata stateczności sprężystej lub sprężysto-plastycznej

- narastanie odkształceń trwałych i przekształcenie konstrukcji w mechanizm

- uszkodzenia pęknięcia uniemożliwiające normalną eksploatacje

- utrata równowagi ogólnej lub przejściowej konstrukcji

Objawami 2 st. gr. są:

- odkształcenia konstrukcji, ugięcia utrudniające jej użytkowanie lub niedopuszczalne ze względów estetycznych

- nadmierne drgania pogarszające komfort użytkowania obiektu

- miejscowe uszkodzenia np. pęknięcia, wybrzuszenia pogarszające estetyką

Ogólnie można stwierdzić, ze jako stan graniczny określa się taki stan konstrukcji po osiągnięciu którego konstrukcja lub jej element zagraża bezpieczeństwu lub przestaje  spełniać wymogi użytkowe. W stanie granicznym stosuje się obliczeniowe wartości obciążeń i wytrzymałości . W stanie gr. użytkowania są stosowane charakterystyczne wartości sprężystości.

Obciążenia

W ramach podstawowych zadań procesu wymiarowania należy precyzyjnie ustalić wartości i układ obciążeń projektowanej konstrukcji

Obciążenia charakterystyczne (normowe) przyjmuje się wg obowiązujących norm i katalogów. Rozróżnia się następujące rodzaje obciążeń charakterystycznych:

- obc. stałe – te które mają stały punkt przyłożenia np. ciężar własny

- obc. zmienne długotrwałe – w całości lub części

- obc. zmienne krótkoterminowe – obc. śniegiem, obc. występujące w czasie transportu i montażu

- obc. zmienne wyjątkowe – obc. występujące rzadko i działające w warunkach innych od ogólnie spotykanych w budownictwie, np. trzęsienia ziemi, huraganowy wiatr, wybuchy pożarowe, szkody górnicze, parcie wody przy katastrofalnym stanie wód, próbne obciążenia budowli i ustrojów budowlanych

Wartość obciążeń obliczeniowych

Wyznacza się mnożąc wartość obciążeń charakterystycznych przez wsp. obciążenia . Uwzględnia on prawdopodobieństwo wystąpienia obciążeń niekorzystniejszych od obc. charakterystycznych. Ponadto uwzględniamy jeszcze:

wsp. jednorodności obciążenia , =0,9 jeżeli w układzie konst. uwzględniamy obc. stałe i 2 obc. zmienne

wsp. redukcji obciążeń, uwzględnia prawdopodobieństwo wystąpienia tych samych obc. w pełnej wielkości

wsp. konsekwencji zniszczenia, przyjmowany w celu dodatkowego zwiększenia lub zmniejszenia bezpieczeństwa kontr. W zależności od stopnia zagrożenia życia ludzkiego i strat gospodarczych

wsp. dynamiczny, uwzględniany gdy obc. działające na konst. będą miały charakter dynamiczny

wsp. części długotrwałej obciążenia zmiennego, stosowany podobnie jak

Stan graniczny użytkowalności

Sprawdzenie konst. ma na celu niedopuszczenie do nadmiernych ugięć i drgań utrudniających prawidłową eksploatacje obiektu. Przy obliczaniu ugięć i przemieszczeń konst. Nie uwzględnia się :

- wsp. obciążenia i dynamicznego

- osłabienia elementu otworami na łączniki

- wzrostu przemieszczeń spowodowanych efektami rzędu drugiego

Jeżeli nie przeprowadza się dokładnej analizy to poziome przemieszczenia konst. Nie powinny przekraczać:

a)      w obiektach jednokondygnacyjnych h/250 h – wysokość kondygnacji

b)     w obiektach wielokondygnacyjnych hi/500 hi – poziom rygla kondygnacji względem górnego poziomu fundamentu

Częstotliwość drgań własnych konstrukcji stropu w pomieszczeniach użyteczności publicznej (bez ścian działowych o rozpiętości l>12m) powinna wynosić co najmniej 5 Hz.

Rodzaje łączników

W konst. metalowych istnieje duża liczba różnych rodzajów łączników i połączeń umożliwiających tworzenie produkowanego asortymentu wyrobów metalowych, złożonych elementów i całych układów kontr. We  współczesnych konstrukcjach stosuje się następujące rodzaje połączeń:

- połączenia typu sworzniowego, w których łącznikami są: nity, śruby zwykłe, średniodokładne i dokładne oraz tymczasowe sworznie montażowe

- połączenie cierne, sprężone śrubami o wysokiej wytrzymałości

- połączenia czołowe

- połączenia realizowane metodami termicznymi: spawanie, zgrzewanie

- połączenia stosowane do elementów niekonstrukcyjnych

Z punktu widzenia wymiarowania i pracy złączy można wyodrębnić połączenia odkształcalne i nieodkształcalne. Połączenia śrubowe zwykłe i nitowe zalicza się z reguły do połączeń odkształcalnych gdyż pod wpływem działania sił mogą wystąpić odkształcenia trzpienia i przemieszczenia łączników otworowych. Natomiast w złączach spawanych, zgrzewanych, klejonych i ciernych nie występują poślizgi i zalicza się je do grupy połączeń nieodkształcalnych.

Połączenia sworzniowe – max naprężeniem w tego rodzaju połączeniach jest docisk trzpienia do blachy, który poza zmiennością na długości ma wartość średnią , w obliczeniach przyjmuje się, że rozkład naprężeń od docisku równe jest , poza dociskiem do ścianek otworu trzpień jest ściskany siła poprzeczna oraz zginany momentem M=P(t+t1)/8.

Praca nitu lub śruby w szeregowym połączeniu zakładkowym

Przy długości połączenia L < 15d , gdzie d jest średnicą otworu śruby, a L odległością miedzy pierwszą a ostatnią śrubą w szeregu nośność połączenia może być obliczona jako suma nośności poszczególnych śrub.

Przy długości połączenia 15dL65d nośność połączenia oblicza się jako sumę nośności poszczególnych śrub z uwzględnieniem wsp. redukcyjnego.

Zasady obliczeń połączeń nitowych i śrubowych w połączeniach zakładkowych niesprzężonych.

Obliczenie połączenia nitowego lub śrubowego obciążonego siłą osiową rozciągającą lub ściskającą polega na określeniu liczby łączników oraz na sprawdzeniu nośności elementu osłabionego otworami. Obliczenia należy rozpocząć od ustalenia średnicy i długości łącznika. W kontr. stalowych  średnicę otworu na nity przyjmuje się o 1mm większą od średnicy nitów, natomiast średnicę otworu na śruby większą o 1-3 mm. Przy obliczaniu połączeń nitowych lub śrubowych należy założyć jednakowe obciążenie wszystkich łączników, a sprawdzenie naprężeń prowadzić przy założeniu pracy trzpienia na docisk i ścinanie pomijając zginanie i rozciąganie. Istnieją 2 sposoby wyznaczania liczby nitów :

1.na siłę- polega na ustaleniu liczby łączników w zależności od znanej siły ze wzoru na sprawdzenie naprężeń stycznych w trzpieniu lub śrubie. W przypadku ścinania części nagwintowanej śrub należy przyjmować pole przekroju czynnego (nie osłabionego gwintem)

2. na przekrój – z warunku na docisk, przy wymiarowaniu złącza zamiast działającej siły (obliczeniowej) wprowadza się max siłę jaką może przenieś przekrój (iloczyn pola przekroju netto elementu łączonego i wytrzymałości obliczeniowej stali).

Ostatnią fazą obliczenia połączeń nitowych lub śrubowych jest sprawdzenie naprężeń w elemencie osłabionym otworami (dot. połączeń pracujących na rozciąganie).

Spoiny .

Spoiny czołowe powstają podczas łączenia elementów położonych zwykle w jednej płaszczyźnie w wyniku wypełnienia przestrzeni między tymi elementami. Jeśli grubość elementów łączonych t<3mm to właściwie blach łączonych nie przygotowuje się do spawania, tylko odsuwa się je na odl. b= 1-2mm, natomiast jeśli grubość zawarta jest między 2-8mm, odsuwamy na b=1-3mm i wykonujemy spoiny czołowe dwustronne. Jeśli grubość jest większa od 8 mm to wykonuje się ścięcia. Wymiarami obliczeniowymi spoin czołowych są grubość a i długość L. Grubość spoiny zgodnie z normą przyjmuje się równą grubości elementów łączonych. W przypadku elementów o różnej grubości należy stosować ukosowanie i wówczas a = grubość cieńszego elementu.

Zasady obliczania i konstruowania

Obliczenia wytrzymałościowe spoin czołowych polegają na sprawdzeniu naprężeń w spoinach wywołanych obciążeniem obliczeniowym i porównaniu wartości tych naprężeń z wytrzymałością obliczeniową spoin . Spoiny czołowe są w praktyce traktowane jako materiał rodzimy elementów łączonych i przyjmuje się, że pracują podobnie jak cały element. Zniszczenie złącza czołowego może nastąpić zarówno w spoinie jak i w materiale rodzimym ponieważ wytrzymałość spoiwa nie ustępuje wytrzymałości elementów łączonych. Sprawdzamy tylko naprężenia rozciągające prostopadłe do podłużnej os spoiny.

Spoiny pachwinowe

Spoiny pachwinowe układa się w naturalnym rowku między dwiema ścianami łączonych elementów. Wymiarami obliczeniowymi spoin pachwinowych są grubość oraz długość spoiny. Grubość a przyjmuje się równą wysokości trójkąta równoramiennego wpisanego w przekrój spoiny. Ustaloną wartość a zaokrągla się w górę do całkowitej liczby mm.

Obliczenie wytrzymałości spoin pachwinowych polega na sprawdzeniu naprężeń w spoinach wywołanych obciążeniem obliczeniowym i porównuje się z wytrzymałością obl. . Spoiny pachwinowe z reguły pracują na ścinanie. Chociaż w niektórych przypadkach zakłada się ich pracę zbliżoną do pracy spoin czołowych.

Elementy rozciągane

Klasyczne rozciąganie: . Mimośrodowe: .

W elementach rozciąganych należy zawsze uwzględnić osłabienie przekroju poprzecznego otworami na nity, śruby przyjmując w obliczeniach najmniejszy przekrój netto.

Konstruowanie elementów rozciąganych

W przypadku prętów rozciąganych osiowo dopuszcza się możliwość pominięcia niektórych odchyleń w osiowym przekazywaniu wypadkowej siły obciążającej:

1. Przesunięć osi prętów pasa kratownicy względem linii siatki geometrycznej, jeżeli przesunięcia te nie są większe niż 35 wysokości profilu

2. Ciężaru własnego pręta, jeżeli długość jego rzutu nie przekracza 6m

W przypadku połączonych mimośrodowo prętów pojedynczych obciążenie tych elementów można traktować jako osiowe pod warunkiem, że do obliczeń przyjmuje się sprowadzone pole przekroju.

Smukłość , 250 w kratownicach, 350 w stężeniach

Stan graniczny nośności w elementach rozciąganych sprawdza się wg nierówności: N – obliczeniowa siła rozciągająca, NRt – nośność obliczeniowa przekroju rozciąganego ,  fd – wytrzymałość obliczeniowa stali, A – pole pow. przekroju (netto)

Rozciąganie mimośrodowe:

Elementy rozciągane osłabione otworami na łączniki wymagają określenia sprowadzonego pola przekroju. W elementach wielogałęziowych stosuje się przewiązki, w celu równomiernego rozciągana elementów. Odstęp pomiędzy przewiązkami powinien być nie większy od 100mm.

Elementy ściskane

Wymiarowanie elementów ściskanych wymaga sprawdzenia wytrzymałości i stateczności ogólnej (wyboczenia całego pręta) a ponadto stateczności miejscowej (np. wybrzuszenie ścianki pręta) elementów gdy występuje możliwość zniekształcenia ich przekroju poprzecznego. Zazwyczaj o wymiarach pręta ściskanego decyduje konieczność zachowania stateczności. W najprostszym przypadku bezpieczeństwo elementu ściskanego charakteryzuje nierówność ,  wsp. stateczności lokalnej wsp. stateczności globalnej

W przypadkach osłabienia przekroju ściskanego otworami niewypełnionymi wymagane jest sprawdzenie wytrzymałości pręta na czyste ściskanie bez uwzględniania wyboczenia.

Osłabienie przekroju należy pominąć w obliczeniach w przypadkach:

- otworów do połączeń nitowych

- śrubowych pasowanych

- śrub ciernych

Jeśli w pręcie ściskanym mimośrodowo występuje strefa ściskana to osłabienie przekroju w tej strefie należy uwzględnić analogicznie jak w prętach rozciąganych.

W znacznej większości przypadków zwłaszcza w elementach o ściankach grubszych występuje wyboczenie gięte. Wyboczenia gięte i skrętne są związane z przekrojem cienkościennym.

Nośność elementów ściskanych w świetle przepisów normowych

Warunek nośności elementów ściskanych osiowo polega na porównaniu sił wewnętrznych z nośnością elementu , NRC – siła obliczeniowa przekroju przy osiowym ściskaniu

, 1 dla przekrojów klasy I, II, III , <1 dla klasy IV

Dla przekrojów klasy I, II, III: ,   ;  

Belki

Belki są podstawowym elementem konstrukcji stalowych pracujących na zginanie w jednej lub dwóch płaszczyznach, a ponadto na ścinanie, skręcanie i ewentualnie na ściskanie lub rozciąganie osiowe. Podział belek:

- belki bezpośrednio przekazujące obciążenie na podpory (belki główne, podciągi)

- belki oparte na podciągach nazywane są belkami pośrednimi lub belkami stropowymi

Obliczanie belek

Przy zginaniu konieczne jest sprawdzenie wytrzymałości pręta, jego stateczności ogólnej (zwichrzenia), stateczności miejscowej (miejscowe wyboczenie ścianek) oraz dodatkowo sztywności ( ugięcia ). Warunek: . Nośność obliczeniowa przy zginaniu: ,   W – wskaźnik wytrzymałości na zginanie, wskaźnik oporu plastycznego. Nośność przy zginaniu w jednej płaszczyźnie: . Obowiązuje gdy belka jest zabezpieczona przed ogólna utratą stateczności. Gdy tego zabezpieczenia nie ma do mianownika nierówności należy wprowadzić współczynnik zwichrzenia ...