Sylabus přednášek OCELOVÉ KONSTRUKCE. Obsah přednášky. Výhody ocelových konstrukcí. Vliv uhlíku. Užití oceli

Transkript

1 Sylabus přednášek OCELOVÉ KONSTRUKCE Studijní program: STAVEBNÍ INŽENÝRSTVÍ pro bakalářské studium Kód předmětu: K134OK1 4 kredity (2 + 2), zápočet, zkouška Prof. Ing. František Wald, CSc., místnost B Úvod, historie i ocelových konstrukcí, k použití, významné stavby, výroba oceli 2. Vlastnosti oceli, zkoušky materiálu, značení oceli 3. Výroba konstrukcí 4. Spolehlivost konstrukcí, mezní stavy, normy pro navrhování, tah 5. Tlak, vzpěrný tlak 6. Klasifikace průřezů, ohyb, hospodárný návrh 7. Svařování, svařované spoje 8. Nýtování a šroubování, šroubované spoje 9. Skelety budov, prostorová tuhost 10. Skelety budov, spoje 11. Jednopodlažní haly 12. Haly velkých rozpětí 13. Mosty, názvosloví, lávky 14. Ochrana proti korozi a požáru 1 2 Výhody ocelových konstrukcí Aktualita River City Praha, Düsseldorfer Stadtor 3 Nejkvalitnější běžné stavivo tažnost Malá hmotnost Příprava Rychlost výstavby Návratnost Výroba OK Koroze Požární odolnost (tepelná vodivost) Cena Výstavba 4 Užití oceli ČR 30 % vývoz 55 % strojírenství 15 % stavebnictví 10 % výztuž 5 % ocelové konstrukce Evropa 8 % stavebnictví 3% výztuž 5 % ocelové konstrukce Vliv uhlíku Slitina železa krystalizuje ve dvou modifikacích γ rozpouští uhlík, α nikoli tavenina železa chladne a γ železo se mění na železo α Litina 2,1% uhlíku γ α 5 6

2 Vlastnosti oceli Modul pružnosti (Youngův) E = MPa Modul pružnosti ve smyku G = MPa Součinitel příčné roztažnosti ν = 0,3 Objemová hmotnost ρ = kg/m 3 Součinitel délkové roztažnosti α = 0, deg -1 Aktualita River City Praha, Düsseldorfer Stadtor 7 8 Zkoušky oceli Tahová Rázem v ohybu Tvrdosti Na únavu Svařitelnosti Aktualita River City Praha, Düsseldorfer Stadtor 9 10 Tahová zkouška Vzorek Kruhový Plochý Tahová zkouška - Mez kluzu f y - Mez pevnosti f u - Tažnost =ΔL δ L 0 Krátká tyč Měrná délka L 0 = 5 d

3 Pracovní diagram Smluvní mez kluzu f 02 ε = 0,002 = 0,2 % Zkouška rázem v ohybu Zkušební tělísko (hranol mm) Vrub (zářez) normového tvaru na tažené straně tělíska Tažnost oceli min.15 % (běžně 40%) Přeražení nárazem Charpyho kladiva Měří se nárazová á práce k přeražení ř vzorku Vrubová houževnatost (vrub KCU nebo KCV) nárazová práce vztažená k průřezové ploše v nejslabším místě tělíska Přechodová teplota Houževnatost oceli klesá s teplotou Přechodová teplota vrubová houževnatost výrazně klesne vyhovuje 15 dolní Křehký lom horní Houževnatý lom 16 Zkoušky tvrdosti Známou silou se vtlačí normové zkušební tělísko (indentor) do vyleštěného povrchu materiálu Měří se otisk/hloubka Brinellova, kalená ocelová kulička (HB) Rockwellova, diamantový kužel nebo ocelová kulička (HR) Vickersova, diamantový čtyřboký jehlan (HV) Koopova, diamantový protáhlý jehlan (HK) Vztah mezi tvrdostí a pevností oceli f u = 3,6 36 HM [MPa] Přibližně pro pevnost v [MPa] ze Brinnelovi zkoušky 17 Zkoušky na únavu Odolnost oceli vůči opakovanému namáhání N = 1 (cyklus) Rozkmit napětí Porušení po N cyklech T, čas 18

4 Wöhlerova křivka Mez únavy je odvislá zejména od úpravy zkušební tyče Časová pevnost (asi cyklů) Δσ = σ max σ min Časová pevnost Mez únavy Rozkmit napětí logδσ Zkoušky svařitelnosti Zkoušky svarového kovu tahová zkouška Zkoušky svařitelnosti Zkouškou rázem v ohybu Se svarem vyšší spotřebovaná práce než bez svaru Návarovou zkouškou ohybem Uhlíkový ekvivalent (na chromatografu) N, počet cyklů do porušení log N Aktualita River City Praha, Düsseldorf Stadtor 21 Značení ocelí příklad : S235J2G3 J - min. nárazovou práci 27 J K - min. nárazovou práci 40 J (na vzorku svrubem V) R -pokojová teplota t 20 C 0-značí 0 C 2 - značí teplotu -20 C G1 ocel neuklidněná G2 ocel uklidněná G3 ocel uklidněná, normalizačně žíhaná G4 ocel uklidněná, normalizačně žíhaná, s prvky vázající dusík 22 Oceli vyšších pevností př. ř S460NK N - ocel normalizačně žíhaná nebo normalizačně válcovaná M - ocel termomechanicky válcovaná L - ocel do nízkých teplot Vysokopevnostní oceli - dnes nad 420 MPa Mohou být hůře svařitelné Cena jen o 15% vyšší (ale 460/355 = 1,3) Mez kluzu f y závisí na tloušťce (viz tabulky) a směru namáhání 23 Evropské značení ocelí ČSN EN A1 S235 mez kluzu 235 MPa S275 S355 v budoucnu asi jediná konstr. ocel S420 S460 Vysokopevnostní oceli S690 (vysokopevnostní oceli) S960 (vysokopevnostní oceli) 24

5 Druhy oceli Uhlíkové s obsahem uhlíku okolo 0,2 % a obsahem ostatních příměsí do 1 % Nízkolegované s obsahem uhlíku okolo 0,2 % a manganu do 1,5 % Legované s obsahem uhlíku do 0,2 % a legur 3 % a více Legované oceli Patinující oceli (weather resist) Legované mědí Kompaktní vrstva rzi zabraňuje dalšímu korodován Atmofix česká patinující ocel Nerezové oceli Austenitické Legované chrómem a niklem Válcování za tepla Tvarování za studena Odlévání Kování Aktualita River City Praha, Dusseldorfer Stadtor Válcování za tepla Tvarování za studena Odlévání Kování Válcování za tepla Rovnoběžné osy válců álů 29 Mimoběžné osy válců kosé válcování proděravět ingot trnem výroba bezešvých trubek 30

6 Výroba bezešvých trubek Válcování na automatu Rath (140 x 140 až 300 x 300mm) Karuselová pec Kosé válcování Válcování na spojité trati Hladicí stroj Dohřívací pec Kalibrovací stroj Výrobní délky 6 14 m Mechanické vlastnosti materiálu Lepší ve směru válcování Pásnice plnostěnných nosníků Plechy - válcovány střídavě oběma směry Válcování za tepla Tvarování za studena Odlévání Kování Tvarování za studena Válcováním za studena (profilováním) prizmatické pruty Tažením uzavřené průřezy Lisováním malá množství značněji členěných průřezů Válcování za tepla Tvarování za studena Odlévání Kování 35 36

7 Odlévání Složité tvary Formy z formovací hmoty (písek a hlína) Použití Klouby Úložné elementy, ložiska atp. Ocel pro odlévání jiné složení než ocel pro válcování Odlitky lze někdy nahradit svařenci Odlitky styčníků Použití: Komplikované uzly Silnostěnné roury Vysoká zatížení Letiště Stuttgart Válcování za tepla Tvarování za studena Odlévání Kování Kování Tváření materiálu za tepla na kovadle (volné kování) nebo v zápustce (zápustkové kování) Hutní materiál Předvalky Tyče (profily) Dráty Plechy Široká ocel Pásy Trubky Tenkostěnné profily 41 42

8 Předvalky Tyče Bloky čtvercové s mírně vydutými hranami obdélníkové s mírně vydutými hranami Bramy: obdélníkové s mírně vydutými hranami Sochory (cágle) čtvercové se zaoblenými hranami obdélníkové se zaoblenými hranami kruhové Ploštiny: obdélníkové s vypuklými bočními hranami Duté předvalky čtvercové kruhové 43 Tyče jednoduchého průřezu tyče kruhové, čtvercové, ploché, šestihranné, osmihranné, tříhranné, půlkruhové, úsečové a speciální Tyče tvarového průřezu tyče průřezu L (rovnoramenného a nerovnoramenného), I, U, H, T, tyče korýtkového průřezu a štětovnice Tyče pro výztuž do betonu tyče kruhové, žebírkové, tyče zkrucované za studena Kolejnice železniční, žlábkové, jeřábové Tyče tažené za studena kruhové, čtvercové, ploché, šestihranné, tříhranné, půlkruhové, úsečové a speciální 44 Úhelníky Průřezy tvaru I Rovnoramenné Nerovnoramenné Největší rovnoramenný úhelník mm 45 Obyčejné průřezy šikmé příruby se sklonem 14 až 17 % Průřezy s paralelními přírubami zvláštních válcovacích stolicích se čtyřmi. Širokopřírubové průřezy HEB na centricky tlačené sloupy, v ČR omezeně HEA, HEM, HEAA v západní Evropě Průřezy v USA a UK v imperiálních jednotkách 46 Dráty Od průměru 5,5 mm válcovány za tepla Kruhové, čtvercové,, šestihranné, půlkruhové a profilové (např. průřezu Z) Tažené dráty menších průměrů Součásti lan Patentovány, což je kalení a následné popouštění ve speciálních lázních Mez kluzu přes 1000 MPa (až 1800 MPa) Plechy Dodávají se V tabulích nebo Ve svitcích (tenké plechy) Dělení podle způsobu výroby Válcované za tepla a Válcované za studena Dělení podle tloušťky Tenké (do 3 mm) Tlusté (3 mm a více) 5, 6, 8, 10, 12, 15, 18, 20, 22, 25, 28, 30, 35, 40, 50 mm 47 48

9 Trubky Trubky Bezešvé za tepla kosým válcováním á Svařované zakroužením pásu do tzv. štěrbinové trubky a svařením elektrickým obloukem, odporem nebo induktivně šroubovicovým svarem velkých průměrů (cca 1500 mm), ze dvou výlisků nebo ohnutých polotovarů (ještě větší trubky) Bezešvé za tepla kosým válcováním á Svařované zakroužením pásu do tzv. štěrbinové trubky a svařením elektrickým obloukem, odporem nebo induktivně šroubovicovým svarem velkých průměrů (cca 1500 mm), ze dvou výlisků nebo ohnutých polotovarů (ještě větší trubky) Kruhové Čtyřhranné 49 Kruhové Čtyřhranné 50 Tolerance za tepla válcovaného materiálu Rozměrové tolerance Průřezové tolerance Délkové tolerance Hmotnostní tolerance Tvarová tolerance Nerovnoběžnost přírub I nosníku, nevyplněný průřez, klínovitost apod. Vady materiálu stav povrchu trhliny, staženiny, bubliny, póry, zaválcované okuje, poškrábání, potlučení a korozní vady vady uvnitř výrobku, jako jsou vměstky, ě vycezeniny, zdvojení materiálu Omezení normami 51 Aktualita River City Praha, Düsseldorfer Stadtor 52 Hlavní přednosti konstrukční oceli Vlastnosti oceli σ 300 Napětí, MPa Modul pružnosti (Youngův) E = MPa Objemová hmotnost ρ = kg/m , E = 2,06 *E5 Poměrné protažení 0 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 ε Tažnost až 40% Vysoký modul pružnosti 2,1*E5 MPa Mez kluzu f y = 235 až 355 MPa Mez pevnosti f u = 360 až 510 MPa Mez úměrnosti f 02 náhrada f y Tažnost δ = min. 15 % 53 54

10 Zkoušky oceli Charpyho kladivo Tahová zkouška f y, f u, δ Rázová zkouška v ohybu Vrubová houževnatost nárazová práce Značení oceli S235J2 S275, S355, S420, S460 (mez kluzu 235 MPa, KVC > 27 J při -20 C) Předvalky Tyče (profily) Dráty Plechy Široká ocel Pásy Trubky Tenkostěnné profily Sylabus přednášek 1. Úvod, historie i ocelových konstrukcí, k použití, významné stavby, výroba oceli 2. Vlastnosti oceli, zkoušky materiálu, značení oceli 3. Výroba konstrukcí 4. Spolehlivost konstrukcí, mezní stavy, normy pro navrhování, tah 5. Tlak, vzpěrný tlak 6. Klasifikace průřezů, ohyb, hospodárný návrh 7. Svařování, svařované spoje 8. Nýtování a šroubování, šroubované spoje 9. Skelety budov, prostorová tuhost 10. Skelety budov, spoje 11. Jednopodlažní haly 12. Haly velkých rozpětí 13. Mosty, názvosloví, lávky 14. Ochrana proti korozi a požáru Aktualita River City Praha, Düsseldorfer Stadtor 59 60

11 Děkuji za pozornost 61