PRVKY KOVOVÝCH KONSTRUKCÍ

VYSOKÉ U ENÍ TECHNICKÉ V BRN FAKULTA STAVEBNÍ

PROF. ING. JIND ICH MELCHER, DrSc. DOC. ING. MIROSLAV BAJER, CSc.

PRVKY KOVOVÝCH KONSTRUKCÍ MODUL BO02-M01 MATERIÁL A KONSTRUK NÍ PRVKY OCELOVÝCH KONSTRUKCÍ

STUDIJNÍ OPORY PRO STUDIJNÍ PROGRAMY S KOMBINOVANOU FORMOU STUDIA

Prvky kovových konstrukcí

Jazyková korektura nebyla provedena, za jazykovou stránku odpovídá autor. © Prof. Ing. Jind ich Melcher, DrSc. Doc. Ing. Miroslav Bajer, CSc.

Obsah

OBSAH 1 Úvod ...............................................................................................................5 1.1 Cíle ........................................................................................................5 1.2 Požadované znalosti ..............................................................................5 1.3 Doba pot ebná ke studiu .......................................................................5 1.4 Klí ová slova.........................................................................................6 2 Materiál .........................................................................................................7 2.1 Výroba oceli ..........................................................................................7 2.2 Struktura oceli .......................................................................................8 2.2.1 Tepelné zpracování oceli .......................................................10 2.2.2 Rekrystalizace oceli ...............................................................11 2.3 Vlastnosti oceli....................................................................................12 2.3.1 Fyzikální vlastnosti ................................................................12 2.3.2 Mechanické vlastnosti............................................................12 2.3.3 Pevnost oceli na únavu...........................................................16 2.3.4 Sva itelnost oceli....................................................................19 2.4 Zkoušky oceli......................................................................................19 2.4.1 Zkouška tahem .......................................................................20 2.4.2 Zkouška tvrdosti.....................................................................21 2.4.3 Zkouška vrubové houževnatosti.............................................21 2.4.4 Zkouška sva itelnosti .............................................................23 2.5 Konstruk ní materiály.........................................................................24 2.5.1 Druhy ocelí a obecný systém jejich ozna ování ...................24 2.5.2 Doporu ené základní materiály ............................................26 2.5.3 Jakostní a ušlechtilé oceli vyšších a vysokých pevností.......28 2.5.4 Válcované výrobky ...............................................................30 2.5.5 Dráty, lana, kabely ................................................................32 2.5.6 Trubky...................................................................................32 2.5.7 Profily tvarované za studena.................................................32 3 Mezní stavy..................................................................................................35 3.1 Vlastnosti materiálu ............................................................................35 3.2 Podmínky spolehlivosti.......................................................................36 3.3 Mezní stavy únosnosti.........................................................................36 3.4 Mezní stavy použitelnosti ...................................................................37 4 Klasifikace pr ezu ....................................................................................39 4.1 Požadavky na pr ezy p i pružnostním výpo tu vnit ních sil.............41 4.2 Požadavky na pr ezy p i plastickém výpo tu vnit ních sil ...............41 5 Záv r ............................................................................................................43 5.1 P íklady ...............................................................................................43 5.2 Kontrolní otázky .................................................................................47 5.3 Shrnutí.................................................................................................47 6 Studijní prameny ........................................................................................48

3


6.1 6.2

Seznam použité literatury ................................................................... 48 Seznam dopl kové studijní literatury................................................. 48

4

Úvod

1

Úvod

1.1

Cíle

Modul, který se chystáte studovat, obsahuje informace o materiálu a konstruk ních prvcích ocelových konstrukcí. Je len n do šesti kapitol. V kapitole „Materiál“ se zabývá strukturou a vlastnostmi oceli, dále pojednává o výrob a základních zkouškách oceli. V záv ru této kapitoly se zmi uje o konstruk ním materiálu používaným p i návrhu staveb z oceli. V kapitole „Mezní stavy“ jsou stru n popsány zásady navrhování ocelových konstrukcí podle mezních stav . Kapitola „Klasifikace pr ez “ se zabývá zat íd ním pr ez podle štíhlosti a únosnosti jejich jednotlivých tla ených a ohýbaných ástic, t.j. pásnic a stojin. V záv ru modulu jsou uvedeny kontrolní otázky v etn vy ešených p íklad . Cílem tohoto modulu je stru n shrnout obecné poznatky týkající se oceli jakožto stavebního materiálu, seznámit se základním používaným konstruk ním materiálem pro návrh ocelové konstrukce a vysv tlit princip návrhu ocelových konstrukcí podle metodiky mezních stav . Nastudováním tohoto modulu tená získá základní p edstavu o obecné problematice a principech navrhování ocelových konstrukcí. Tento modul je koncipován tak, aby po jeho prostudování studenti dokázali charakterizovat návrh ocelové konstrukce v souladu s metodikou mezních stav , dokázali klasifikovat pr ez, který cht jí použít p i návrhu stavby u oceli a m li p ehled o obecných vlastnostech oceli a o možném konstruk ním materiálu. Navržený konstruk ní materiál zpravidla ur uje celkové uspo ádání, detaily i provedení ocelové konstrukce. Vedle poznatk o konstruk ních pravidlech je pro inženýra nezbytná také znalost materiálových charakteristik, jakož i materiálu a jeho zpracování. Proto je stru n uvedeno jeho složení, výroba a íselné hodnoty fyzikáln -mechanických vlastností. Studiem tohoto modulu tená získá pouze rámcovou p edstavu o dané problematice.

1.2

Požadované znalosti

Student by m l mít základní znalosti z teoretických p edm t (zejména matematiky a fyziky) ze st ední školy, rozší ené o znalosti z teoretických p edm t prvního ro níku Fakulty stavební matematika I, matematika II, konstrukce a dopravní stavby a základy stavební mechaniky. Z dalšího dosavadního studia na Fakult stavební VUT v Brn jsou pot ebné znalosti ze stavebních látek, pružnosti a pevnosti a statiky.

1.3

Doba pot ebná ke studiu

Celková optimální doba pro prostudování kapitoly 2 je, v etn zopakování základních pojm , 3 hodiny. Studium každé z kapitol 3, 4, iní cca 2 hodiny.

5


Celková doba pro prostudování modulu tedy iní cca 7 hodin, pokud budete procházet i ešené p íklady, pak se doba prodlouží o jednu až dv hodiny.

1.4

Klí ová slova

Kov, ocel, materiál, stavební konstrukce, železo, výroba oceli, struktura oceli, vlastnosti ocelí, fyzikální veli iny ocelí, mechanické vlastnosti, únavová pevnost, zkoušky oceli, tvrdost, vrubová houževnatost, sva itelnost, konstruk ní materiál, válcovaný materiál, plech, trubky, profily tvarované za studena, drát, lano, kabel, mezní stavy, mezní stavy únosnosti, mezní stavy použitelnosti, klasifikace pr ez , díl í sou initel spolehlivosti materiálu, modul pružnosti v tahu a tlaku, modul pružnosti ve smyku, sou initel p í né deformace, sou initel tepelné roztažnosti, objemová hmotnost.

6

Materiál

2

Materiál

2.1

Výroba oceli

Ocel se vyrábí ze surového železa, které se získává ve vysokých pecích z železných rud. T mi mohou být zejména magnetit, hematit, limonit a siderit. Výroba oceli spo ívá v redukci uhlíku, obsaženého v surovém železe, na požadované množství . Surové železo obsahuje velké množství nežádoucích prvk , zejména uhlíku (3 až 4 %), Si, Mn, P a S. Podstatou výroby oceli je tedy odstran ní p ebyte ného množství t chto vedlejších prvk . To se d je p edevším oxidací. Ocel se vyrábí p evážn

ty mi zp soby:

• v konvektorech Thomasovou nebo Bessemerovou metodou • v konvektorech kyslíkovou metodou • v Siemens – Martinových pecích • v elektrických pecích. Po dosažení pot ebného chemického složení se tekutá ocel odlívá do speciálních ocelových forem. Zp sob je velmi d ležitý, nebo na n m závisí jakost vývalk . Podle zp sobu odlévání rozeznáváme dva druhy ocelí, ocel neuklidn nou a ocel uklidn nou. Jestliže p i odlévání oceli reaguje zbylý kyslík s uhlíkem, vzniká CO2. Bubliny CO2 unikají do míst s menší hustotou, t.j. do mén ztuhlého jádra - ocel p sobí dojmem jako by v ela. Tento proces se zastaví po ztuhnutí ingotu. Vyrobená neuklidn ná ocel je zna n nehomogenní, v jád e ingotu z stalo velké množství ne istot. Neuklidn ná ocel proto není vhodná pro použití na náro n jší sva ované konstrukce. Uklidn ná ocel vzniká p idáním dezooxida ních prost edk , obvykle manganu nebo hliníku. P ebyte ný kyslík se váže na tyto prvky. Nevzniká CO2, ocel nev e a její struktura je v celém objemu homogenní. Speciálními prost edky p i deoxidaci se dá dosáhnout mimo ádné jemnozrné struktury oceli. Na výrobu ocelových konstrukcí se používá p evážn konstruk ní materiál, který se získá válcováním ingot nebo p edvalk . Ocel se p ed válcováním oh eje na teplotu 1100 až 1200 °C. Válcování kon í p i teplot nad 900°C, aby mohly zdeformovaná austenitová zrna p ekrystalizovat na nezdeformované feriticko – perlitická zrna. Nevýhodou válcování je, že v d sledku nerovnom rného ochlazování a následkem smrš ování kovu vznikne v materiálu vlastní nap tí.

7


obr.2.1 Válcovací stolice

Princip válcování (obr.2.1) spo ívá v tom, že teplé ocelové bloky procházejí mezi dv ma otá ejícími se válci. Sv tlost mezi válci je p itom menší než velikost válcovaného bloku. Profilová ocel se válcuje mezi válci s vysoustruženými rýhami, které se postupn zmenšují, takže vývalek dostane požadovaný profil. Plechy se válcují mezi hladkými válci ob ma sm ry, takže mají stejné vlastnosti v obou sm rech. Válcování za studena se používá pouze p i výrob jemn jších profil , kdy je t eba dodržet zvýšenou p esnost pr ezových rozm r . P i válcování za studena se zrna oceli trvale plasticky deformují, bez následné p ekrystalizace p i ochlazování. Taková ocel má v porovnání s ocelí válcovanou za tepla vyšší mez pevnosti a mez kluzu p i sou asném snížení tažnosti.

2.2

Struktura oceli

Poznat reálné vlastnosti konstruk ního materiálu, v tomto p ípad oceli, je jedním z p edpoklad bezpe ného navrhování a konstruování ocelových konstrukcí. Ve vlastnostech materiálu jako je pevnost, pružnost, houževnatost, tvrdost, kovatelnost, sva itelnost, odolnost proti korozi atd. se odráží stavba ili struktura materiálu. Ta závisí na chemickém složení, asovém pr b hu tepelných zm n a p edcházejícím mechanickém zpracování. Ocelí nazýváme slitinu železa (Fe) a jiných prvk (C, Mn, Si, Cu, Ni, W, Co, Mo, V, P, S atd.). Nejd ležit jším prvkem, který podmi uje vlastnosti oceli, je uhlík. Pouze malé množství uhlíku dává oceli charakteristické vlastnosti a umož uje ji v zah átém stavu kovat, lisovat a válcovat. Slitina železa, která obsahuje víc jak 2 % uhlíku se nazývá litina. Litina výše uvedené vlastnosti ztrácí, je k ehká jak za studena tak za tepla. Konstruk ní ocel pro stavební ú e-

8

Materiál

ly obsahuje zpravidla uhlík v podstatn menším množství, prakticky v rozmezí 0,1 až 0,2%. Takovouto ocel nazýváme nízkouhlíkovou resp. m kkou. Kovy jsou látky, které jsou souhrnem drobných, obrysov nepravideln vyvinutých krystalk , tzv. zrn. Nauka zkoumající strukturu kov a její vlastnosti se nazývá metalografie. Proces krystalizace kov za íná v ochlazované tavenin kovu tak, že p i ur ité teplot nastává na mnohých místech taveniny postupné zv tšování tzv. krystalických zárodk a dochází k jejich r stu. Protože si sousední krystaly v nerušeném r stu vzájemn p ekážejí, vznikají namísto geometricky pravidelných krystal polyedrická zrna. Oblasti mezi zrny jsou vypln né amorfní hmotou. O tom, že zrna jsou skute n nedokonale vyvinutými krystaly sv d í jejich pravidelná atomová stavba. Pro krystaly je charakteristické pravidelné rozložení atom v prostorových m ížkách (obr.2.2), zatímco chaotické nahromad ní atom charakterizuje amorfní látky. Nejkratší vzdálenost mezi dv ma atomy se nazývá parametr dané m ížky. Atomy železa se vyskytují v prostorov centrické nebo v plošn centrické m ížce. Každá z t chto m ížek odpovídá ur itému teplotnímu stavu materiálu. P i teplot asi 900 °C nastává zm na m ížek – tzv. p ekrystalizace. Železo p i teplot pod 910 °C, tzv. α – železo (ferit), má prostorov centrickou m ížku (obr.2.2a), železo nad teplotou 910 °C, tzv. γ – železo (austenit), má plošn centrickou m ížku (obr.2.2b). P ekrystalizováním železa se nezm ní jenom m ížky, tj. vzájemné rozmíst ní atom , ale i vlastnosti materiálu (teplotní roztažnost, modul pružnosti, magnetické vlastnosti, rozpustnost uhlíku apod.). Železo se vyskytuje ješt ve dvou dalších modifikacích, takže známe α – železo, β - železo, γ – železo a δ – železo, které odpovídají ur itým teplotním interval m. Vlastnosti α – železa a β – železa se odlišují jen málo (β – železo je nemagnetické), takže dále lze ob modifikace nazývat α – železo, které má metalografický název ferit. Modifikaci γ − železo nazýváme metalograficky austenit. Poznání procesu p ekrystalizování α – železa na γ − železo a opa n je základním klí em zvládnutí tepelného zpracování oceli.

Obr.2.2 Krystalová m ížka zrn a) -železo, b) -železo

9


Struktura i vlastnosti oceli nejsou nem nné. Vlivem vn jších i vnit ních faktor se asem struktura oceli m ní. Z vn jších faktor je to p edevším zm na teploty, pomocí které dochází k strukturním zm nám. Ty vyplývají z p ekrystalizování (tepelného zpracování), ale i ze zm n ných energetických pom r v struktu e (r st zrn, rekrystalizace). Zvláš ní kategorií jsou strukturální procesy, které nastávají následkem mechanických ú ink na materiál. Mnoho chemickofyzikálních proces v oceli není ukon ených. Tyto procesy probíhají v ase, ale se zmenšenou rychlostí, která je d sledkem malé pohyblivosti atom v látce tuhého skupenství. Vn jší vlivy, zejména oh ev a mechanické ú inky, zp sobují urychlení t chto proces (stárnutí materiál ).

2.2.1

Tepelné zpracování oceli

Vlastnosti oceli je možné v širokých mezích m nit pomocí tepelného zpracování a tím p izp sobovat požadovanému ú elu. Tepelným zpracováním se nazývá úmyslné vyvolání r zných tepelných stav a zm n, které mají realizovat zm ny struktury oceli a tím dosáhnout požadovaných vlastností oceli. Prost edky, které jsou p i tepelném zpracování ocele k dispozici, jsou: výška teploty zah ívání, as udržení této teploty, rychlost oh átí a chladnutí. Protože úplný pr b h t chto proces vyžaduje vždy ur itý as, je volbou uvedených faktor možné dosáhnout, že p i tepelném zpracování neprob hnou tyto procesy úpln , resp. neprob hnou v bec, takže vznikne struktura nové kvality – nerovnovážná struktura (nap . p i svá ení). Základní druhy tepelného zpracování oceli jsou žíhání a kalení. Žíháním se nazývá oh ev oceli na ur itou teplotu, setrvání na této teplot tak dlouho, jak je pot eba na dokon ení zm n struktury kovu a následující pomalé ochlazení. Rozeznáváme více druh žíhání: Normaliza ní žíhání je nejb žn jším zp sobem žíhání uhlíkových ocelí po kování, válcování, lisování, svá ení a n kdy po tvá ení za studena. Jeho ú elem je zrušit následky p edcházejících mechanických a tepelných zpracování a to pomocí p ekrystalizování, ímž se dosáhne nová, jemnozrnn jší a rovnom rn jší struktura. Normaliza ní žíhání asto p edchází dalšímu tepelnému zpracování, jako je kalení, zušlech ování apod., v od vodn ných p ípadech se používá pro obnovení p vodních vlastností oceli po narušení její struktury p edcházejícím zpracováním. Žíhání na m kko se provádí zah átím na teplotu blížící se teplot 723 °C, na které se setrvá 5 až 6 hodin. P i této teplot p em nou vznikne zrnitý perlit. Ocel se zrnitým perlitem je m kká a dá se dob e opracovávat, ehož se využívá p i obráb ní n kterých druh ocelí. Žíhání na odstran ní vlastního pnutí se provádí oh átím na teplotu 500 až 600°C. P i tomto druhu žíhání nenastávají žádné zm ny struktury, z oceli však vymizí všechna vlastní nap tí. Toto žíhání se používá na odstran ní k ehkosti zp sobené vlastním pnutím ve výliscích, odlitcích a svarových spojích, zejména p i v tších tlouš kách materiálu. 10

Materiál

Kalení oceli spo ívá v oh átí oceli podobn jako p i normaliza ním žíhání, a jejím následném rychlém ochlazení. P i rychlém ochlazení nesta í prob hnout mechanismus p ekrystalizování austenitové struktury na rovnovážnou strukturu feriticko-perlitickou. Uhlík z stává uvnit m ížky α – železa, deformuje ji, takže vzniká nerovnovážná struktura, která je ve stavu vnit ní napjatosti. Navenek se uvedený stav projevuje tvrdostí a k ehkostí. Aby se tyto nep íznivé vlastnosti oceli zmírnily, je pot ebné ocel tzv. popoušt t. Popoušt ní se skládá z oh evu zakalené oceli na teplotu pod spodní hranici p em n, ze setrvání na této teplot a z následujícího ochlazení. Kalení spolu s popoušt ním se nazývá zušlech ování. Výsledkem procesu je ocel s vyšší pevností p i posta ující houževnatosti. Patentování je tepelné zpracování, které se používá p i tažení ocelových drát . Tažením se ocel zpev uje, až další tahání není možné. M kké ocele se proto p ed dalším zpracováním podrobují p ekrystaliza nímu žíhání (650 °C) nebo žíhání na m kko. Dráty z tvrdších ocelí (víc jak 0,25% C) se protahují olov nou koupelí teploty 400 až 450°C, v d sledku ehož vznikne jemný perlit. Po vychladnutí drátu se m že pokra ovat v tahání. P i výrob prvk , které mají z stat houževnaté, avšak jejich povrch má být co nejtvrdší (pance ová ocel), jako nap . pro ložiska, se používá povrchové kalení. Nasycováním povrchových vrstev uhlíkem se získá vysoká kalitelnost. Provádí se p i teplot 850 až 930 °C. Postup se nazývá cementování. Jiný postup povrchového zpevn ní je nasycování povrchu dusíkem – nitridování, které se d lá p i teplot 500 až 510 °C. Slitiny oceli na nitridování musí být legované nejmén uhlíkem, p ípadn chromem, vanadem apod.. Nitridování oproti cementování je zdlouhav jší a dražší. Povrch je však tvrdší a houževnat jší.

2.2.2

Rekrystalizace oceli

R st zrn je samovolným procesem, který vyplývá z p irozeného úsilí soustavy minimalizovat vnit ní energii. ím je vyšší teplota, tím jsou atomy pohybliv jší a tím rychleji probíhá stabilizace struktury. R st je intenzivn jší p i drobných zrnech, p i kterých na jednotku p ipadá v tší energie. P i nestejnorodé struktue, která se skládá z malých a velkých krystal , je proces r stu krystal provázen zv tšením rozm r velkých krystal (zrn), které rostou na úkor malých. Od ur ité „kritické“ teploty je tento proces velmi rychlý. Pro ocel, která p ed tím nebyla deformovaná za studena, je to 900 až 950 °C. P i tepelném zpracování oceli je proto pot ebné dbát na to, aby tato teplota nebyla nep ekro ena. V opa ném p ípad bychom získali hrubozrnnou strukturu. P i deformaci za studena dochází ke zna ným místním nerovnom rnostem v rozd lení vnit ní energie. V smykových rovinách vznikají místa s lokáln zvýšenou energií, v kterých vznikají zárodky nových zrn. Postupn se zv tšují na úkor zdeformovaných zrn. Tento proces se nazývá rekrystalizace. Teplota, p i které nastává náhlý r st nových zrn p i rekrystalizaci, se nazývá rekrystaliza ní teplota. Stupe deformace za studena má velký vliv na výšku rekrystaliza ní teploty a velikost vznikajících zrn (obr.2.3)

11


Obr.2.3 Vliv stupn tvá ení a- na hodnotu rekrystaliza ní teploty, b – na velikost zrn po rekrystalizaci

ím je deformovaná struktura za studena homogenn jší, tím jsou rekrystaliza ní procesy výrazn jší. Stupe deformace, která zp sobuje po rekrystalizaci nejv tší zrno, se nazývá kritickou deformací. Kritická deformace nebývá velká, jen 5 až 10%. P i této deformaci se dosahuje velký rozdíl ve velikosti zdeformovaných zrn a zrn ješt nezasáhnutých plastickou deformací. Po rekrystalizaci kriticky deformované oceli je vzniklá struktura velmi hrubozrnná, což se projevuje v snížení mechanických vlastností oceli. P i mechanickém zpracování je proto t eba se kritické deformaci vyhýbat.

2.3

Vlastnosti oceli

2.3.1

Fyzikální vlastnosti

Fyzikální charakteristiky konstruk ních ocelí se uvažují následujícími všeobecn platnými návrhovými hodnotami: •

modul pružnosti v tahu a tlaku

E = 210000 MPa

•

modul pružnosti ve smyku

G = 81000 MPa

•

sou initel p í né deformace

υ = 0.3

•

sou initel tepelné roztažnosti

αt = 0.000012 K-1

•

objemová hmotnost

ρ = 7850 kg / m3

2.3.2

Mechanické vlastnosti

Mechanické vlastnosti mají bezprost ední vliv na zp sob výpo tu ocelových konstrukcí a na jejich bezpe nost.

12

Materiál

Mechanické vlastnosti základních materiál závisí na jejich chemickém složení a tepelném zpracování. B žn používané oceli obsahují rámcov do 0,2% uhlíku. Podle stupn legování dalšími prvky ozna ujeme jednotlivé druhy materiál jako oceli uhlíkové (obsah dalších p ím sí do 1%), oceli nízkolegované (obsah dalších p ím sí v rozsahu 1% až 3%), resp. oceli legované (obsah p ím sí nad 3%). Pro sva ované ocelové stavební a technologické konstrukce nejsou vhodné materiály s tažností menší než 15%. Základními mechanickými vlastnostmi oceli jsou pružnost, plasticita a pevnost. Pružností rozumíme schopnost materiálu pružn se deformovat vlivem silových ú ink , což platí i po mnohanásobném zatížení. Plasticitou rozumíme vlastnost materiálu trvale se deformovat, p i emž velikost plastické deformace není možné p esn vyjád it jako závislost na velikosti silových ú ink , protože p i následném zatížení se materiál deformuje jiným zp sobem než p i p edcházejícím zatížení. Ocel se pro ur ité hladiny zatížení chová jako pružná a nad t mito hladinami jako plastická nebo pružn -plastická. Pevnost materiálu je vlastnost oceli zachovávat celistvost a soudržnost až po ur itou hladinu zatížení, p i které se materiál porušuje lomem. Protože základní mechanické vlastnosti oceli jsou podmín né i zp sobem namáhání, je výhodné je zkoumat p i nejjednodušším možném zp sobu namáhání tj. p i namáhání osovou tahovou silou. P i tomto zp sobu namáhání je nejjednodušší experimentáln zjistit základní mechanické vlastnosti oceli. Na jejich podklad je možno pomocí pevnostních teorií p edpokládat chování oceli p i jiném, komplikovan jším zp sobu namáhání. Vztah mezi p sobící silou F a prodloužením ty e ∆L p i jednoosém tahu je možné vyjád it vztahem nap tí σ k pom rnému prodloužení ε, p i emž

σ = F/ A0,, ε = ∆L/L0 = (L – L0)/L0,, kde A0 – p vodní pr ezová plocha zkoušeného t lesa, L0 – p vodní délka t lesa tahové zkoušky. Každé vn jší zat žovací síle F odpovídá ur itá zm na p vodní délky t lesa tahové zkoušky ∆L a na základ uvedených vzorc též hodnota nap tí σ a pom rného prodloužení ε. Závislost mezi σ a ε p i namáhání tahem až do porušení udává pracovní diagram oceli (obr.2.4). Na obr.2.4 zna í k ivka σsml smluvní pracovní diagram oceli p i uvažování p vodní pr ezové plochy A0, k ivka σsk popisuje skute ný pracovní diagram p i uvažování skute né pr ezové plochy vzorku Amin. Plocha omezená k ivkou na pracovním diagramu udává deforma ní práci pot ebnou na p etvo ení zkušební ty e, resp. její p etrhnutí. Charakteristické nap tí na pracovním diagramu udávají body: A – mez úm rnosti, B – mez pružnosti, C – mez kluzu v tahu Ch – horní, Cd – dolní, D – mez pevnosti v tahu fu, E – mez porušení.

13

Nap tí σ [MPa]


σ σ

p etvo ení ε [%] Obr.2.4 Smluvní a skute ný pracovní diagram oceli A - mez úm rnosti, B - mez pružnosti, Ch, Cd – mez kluzu – horní , dolní , D – mez pevnosti, E – mez porušení, I – pružná oblast, II – plastická oblast, III – oblast zpevn ní.

Podobn ozna ujeme mez kluzu v tlaku, p i emž mez kluzu v tlaku uvažujeme stejn velkou jako je mez kluzu v tahu. Celkov na pracovním diagramu m žeme pozorovat t i základní charakteristické oblasti: I. pružná oblast, II. plastická oblast, III. oblast zpevn ní. Až po mez úm rnosti platí lineární závislost mezi nap tím a prodloužením vyjád ená Hookovým zákonem

ε = σ /E. Zvyšování mechanických vlastností uhlíkem nad 0,2% je nevhodné, proto se v oceli dosahuje požadovaných vlastností p idáním dalších prvk – tzv. legováním. Touto cestou je možné dosáhnout nap . vyšší tažnosti materiálu (houževnatosti) p i vyšší mezi kluzu a pevnosti. Nejd ležit jší legující prvky, které jsou obsaženy v konstruk ních ocelích jsou: • mangan – zvyšuje pevnost a tažnost, ovliv uje tepelné zpracování, • k emík – zvyšuje pevnost a odolnost proti korozi, • m

- zvyšuje pevnost a odolnost proti korozi,

• molybden – zvyšuje pevnost p i nízkých teplotách a zlepšuje odolnost proti

14

Materiál

korozi. Dalšími legujícími prvky mohou být hliník, titan, bor, wolfram, kobalt, vanad. Jestliže celkový obsah legujících prvk nep esahuje 3 % jedná se o oceli nízkolegované, je-li obsah vyšší , hovo íme o oceli vysokolegovaných. Pracovní diagramy r zných druh ocelí znázor uje obr.2.5 N které chemické prvky v ocelích obsažené ovliv ují vlastnosti negativn : • síra – snižuje houževnatost a kujnost materiálu, • fosfor – ocel se stává k eh í p i nižších teplotách, • dusík – zp sobuje stárnutí materiálu, zvyšuje jeho k ehkost.

Nap tí σ [MPa]

σ [M pa]

p etvo ení ε [% ]

Obr.2.5 Pracovní diagram r zných ocelí

Na obr.2.5 je ozna ení pracovních diagram následující: 1 – nízkouhlíková ocel C 0,1 %, 2 – nízkouhlíková ocel C 0,2 %, 3 – niklová ocel Ni 3 %, 4 – chromniklová ocel Cr + Ni 3 %, 5 – patentový drát C 0,65 %, 6 – k emíková ocel Si 1 %

15


Na zm nu mechanických vlastností má taktéž vliv zm ny teploty (obr.2.6). Se stoupající teplotou klesá mez kluzu, pevnost však nemusí klesat hned. Od teploty 600 °C už lze ocel pokládat za zcela plastickou. S klesající teplotou pod 0°C m že mez kluzu stoupat aniž se m ní mez pevnosti. V kombinaci s dalšími vlivy, které snižují plastické vlastnosti oceli m že p i ur ité, tzv. p echodové, teplot dojít k náhlému p erušení oceli, tzv. k ehkému lomu.

Nap tí σ [MPa]

σ [Mpa]

e akc r t n ko

vrub

tažn ová

hou

ost

ževn atos t mez pevn o s ti mez klu zu

teplota t [ C]

Obr.2.6 Vliv teploty na mechanické vlastnosti oceli

2.3.3

Pevnost oceli na únavu

V p ípad prom nlivého mnohokrát opakovaného namáhání se m že ocel porušit bez kontrakce. Takovýto zp sob namáhání se nazývá namáhání na únavu a porušení materiálu se nazývá únavový lom. Ten se liší od lomu, který nastane p i jednorázovém zatížení, p i kterém je dosaženo meze pevnosti materiálu. Únavový lom vychází z místa koncentrace nap tí, tedy z místa, kde náhlá zm na pr ezu, povrchové nebo vnit ní vady materiálu vyvolávají vysoké místní nap tí. K ehnutí materiálu v poli nap tí v okolí vrubu zp sobuje vznik mikrotrhliny, která se neustále rozši uje. Únavový lom nastane tehdy, když postupn se ší ící trhlina oslabí pr ez natolik, že se náhle pevnostn poruší. Vznik únavového lomu závisí na po tu a druhu zat žovacích cykl , druhu a jakosti materiálu a velikosti prvku. Únavový lom má dv charakteristické oblasti: • lesklou oblast postupn se ší ící trhliny, • zrnitou oblast okraj k ehkého lomu.

16

Materiál

Teoretickým p edpokladem je, že pr b h skute ného nap tí, vyvolaného prom nlivým zatížením je nahrazen pr b hem nap tí, které se m ní jako kmity podle sinusoidy (obr.2.7).

σa σd

σm

σa

σh

horní nap tí σ

Τ

as t Obr.2.7 P edpokládaný pr b h nap tí p i namáhání na únavu

V obrázku 2.7:

σd zna í spodní nap tí, σh horní nap tí, σm = (σh+σd)/2 je st ední nap tí, σa = (σh-σd)/2 je amplituda, 2*σa je rozkmit, T je perioda kmitání.

Únavový lom p i daném horním nap tí σh nastává po ur itém po tu zat žovacích cykl n. Tuto závislost znázor uje Wöhlerova k ivka únavy (obr.2.8). Pro praktické ú ely je mez únavy definována jako horní nap tí, p i kterém nastane lom p i ur itém po tu zat žovacích cykl . Pomocí Wöhlerovy k ivky je možné na základ experimentu ur it mez únavy ur itého prvku z daného materiálu, p i daném nap tí σd a σm. Pevnost materiálu je velmi nízká zejména p i st ídavém namáhání a p i použití materiál vyšších a vysokých pevností. V t chto p ípadech je t eba klást zvýšený d raz na tzv. bezvrubové konstrukce. Toto je d ležité zejména u sva ovaných konstrukcí. Mnohem složit jší je problematika pevnosti na únavu p i navrhování ocelových konstrukcí, nebo cykly nap tí se zpravidla v pravidelných rozkmitech, jak byly d íve popsány, nevyskytují. Proto je možné použít p i posuzování únosnosti ocelových konstrukcí p i únav volit zjednodušující metody, nap . podle normativních dokument .

17


Obr.2.8 Wöhler v diagram únavy

a ) v lineárních sou adnicích, b)– v polologaritmických sou adnicích, A – detail bez vrubu, C – detail s vrubem K ivky únavy podle Smitha nebo podle Weyrouchta (obr.2.9) udávají závislost meze únavy σh od st edního nap tí σm (Smith) nebo spodního nap tí σn (Weyrauch) Nap tí σh a σd teoreticky splývají na mezi statické pevnosti (bod D). Prakticky však σh nemusí být v tší než mez kluzu materiálu fy, protože v tomto p ípad by už nerozhodovala únavová pevnost, ale dosažení meze kluzu materiálu. 18

Materiál

.

Obr.2.9 Diagramy únavy a) Smith v, b) Weyrauch v

2.3.4

Sva itelnost oceli

Sva itelností oceli rozumíme schopnost oceli vytvo it za b žných podmínek sva ování sva ovaný spoj s požadovanými vlastnostmi. Tyto vlastnosti jsou p edevším mechanické (pevnost, tažnost, tvrdost apod.) nebo jiné (odolnost proti korozi, vzhled apod.). O sva itelnosti materiálu obvykle rozhodují mikrometalurgické procesy p i sva ování, procesy tepelného zpracování v zónách okolo svaru a stav napjatosti vzniklý v d sledku nerovnom rného oh ívání a ochlazování oceli. Mezi materiálové ukazatele sva itelnosti pat í p edevším chemické složení, p edevším prvky, které ovliv ují sva itelnost nejvíce, udané souhrnn tzv. uhlíkovým ekvivalentem.

2.4

Zkoušky oceli

Reálné vlastnosti oceli se ur ují zkouškami. Zkušební t lesa se vyráb jí ze zkušebních vzork , které se odebírají podle pravidel stanovených normami tak, aby vzorky p edstavovaly pr m rnou jakost zkoušeného prvku.

19


Protože na mechanické vlastnosti oceli má vliv mnoho faktor , jako nap . tvar zkušebního t lesa, rychlost zat žování a teplota, jsou podmínky pro zkoušky p edepsané v normaliza ních dokumentech.

2.4.1

Zkouška tahem

Zkušební ty na zkoušku tahu má p edepsaný kruhový, tvercový nebo obdélníkový pr ez. Na ty se vyzna í m ená délka L0 = 5d nebo 10d (v p ípad kruhových pr ez ). Délka st ední ásti ty e je o 20 mm v tší než m ená délka (obr.2.10). Rychlost zat žování je 10 N.mm-2.s-1, po zjišt ní meze kluzu 30 N.mm-2.s-1. M í se zm na p vodní délky. P i zkoušce tahem se zjiš uje: • mez kluzu fy Mez kluzu fy je nap tí, p i kterém pokra uje prodlužování zkušební ty e i když se r st zatížení p echodn zastaví. Nedá-li se ur it mez kluzu z eteln , zjiš uje se tzv. konven ní mez kluzu f0,2. Dá se stanovit z pracovního diagramu ze zatížení, p i kterém prodloužení zkušební ty e dosahuje 0,2% p vodní m ené délky L0.

d

b

t

Lo

h

h

L

d

b

r=4

Lo=5d

h

h

L

0br.2.10 Zkušební t lesa pro tahovou zkoušku

• mez pevnosti v tahu fu Reprezentuje úrove zatížení F, které se dosáhne p ed p etržením zkušební ty e p vodní plochy A. • mez úm rnosti a mez pružnosti Mez úm rnosti reprezentuje úrove zatížení do jejíhož dosažení platí Hook v zákon ε = σ /E, mez pružnosti je hranice, do níž se zkušební t leso chová pružn – po odtížení zaujme výchozí tvar. • tažnost Pom rné prodloužení p i p etržení:

20

Materiál

δ=

∆L ⋅ 100 (%), L0

kde ∆L je prodloužení p vodní m ené délky L0. • pom rné zúžení pr ezu ( kontrakce)

ψ = kde A0

( A0 − A) ⋅ 100 (%), A0

je p vodní plocha zkušební ty e,

A

je plocha po p etržení.

2.4.2

Zkouška tvrdosti

Tvrdost lze stanovit metodami dle Brinella, Rockwella a Wickerse. Nejrozší en jší je zkouška tvrdosti podle Brinella. Její princip (obr.2.11) spo ívá v m ení otlaku ocelové kuli ky normalizovaného pr ezu D zatla ované do m eného materiálu p edepsanou silou F. ím je materiál m k í, tím vnikne kuli ka hloub ji a zanechá v tší pr m r otlaku d. Tvrdost je vyjád ena jako pr m rný tlak (HB) na 1 mm2 dotykové plochy otlaku s pr m rem d, tj. HB = 4F/(πd2) F

D

d

Obr. 2.11 Princip zkoušky podle Brinella

Doba p sobení síly F je 30 sekund, velikost síly je

F = 300D 2 , kde pr m r kuli ky D je 2,5; 5 nebo 10 mm. Mezi a tvrdostí oceli a mezí pevnostije p ibližný vztah

f u , B = 3,6 HB .

2.4.3

Zkouška vrubové houževnatosti

Hodnota vrubové houževnatosti se ur í z práce spot ebované na p eražení zkušební ty e a z pr ezové plochy v pr ezu s vrubem. Zkouška spo ívá v p era21


b

h1

h2

h1

žení zkušební ty e p edepsaného tvaru (obr.2.12) na kyvadlovém kladivu jedním rázem.

c a 0br .2.12 Zkouška vrubové houževnatosti a – Charpyho kladivo, b – uložení zkušebního. t lesa, c – pr b h nap tí ve zkušebním t lese

Zkušební ty e jsou normalizovaného tvaru s vrubem tvaru U nebo V (obr.2.13).

r=1

10

2

10

2 40

r=0,25

2

10

55

45

Obr.2.13 T lesa pro zkoušku vrubové houževnatosti

22

Materiál

Vrub tvaru U je hluboký 2; 3 nebo 5 mm, vrub tvaru V je hluboký 2 mm. Pr b h nap tí ve zkušební ty i, v ezu vedeném vrubem, má charakter ohybového namáhání s výrazným vrcholem nap tí v ko eni vrubu (obr.2.12 c). Zkouška vrubové houževnatosti probíhá pomocí kyvadlového (Charpyho) kladiva (obr.2.12), s nejv tší prací 300 N.m a s rychlostí v okamžiku úderu 4,5 – 7 m.s1. Práce spot ebovaná na p eražení zkušební ty e vyjad uje úbytek energie daný sou inem hmotnosti G a rozdílu výšky kladiva p ed nárazem a po jeho maximálním vychýlení po nárazu:

W = G (h1 − h2 ) . Vrubová houževnatost R se stanoví ze vztahu:

R=

W , A

kde A je pr ezová plocha v pr ezu s vrubem.

2.4.4

Zkouška sva itelnosti

Zkouškou sva itelnosti lze zjistit zda v d sledku sva ování nedochází ke zm nám plastických vlastnosti základního materiálu. Zkoušky sva itelnosti b žn používaných ocelí se provádí na t lesech tlouš ky do 25 mm obvykle nárazovou zkouškou, je-li tlouš ka > 25 mm ohybovou návarovou zkouškou. Nárazová zkouška probíhá obdobn jako zkouška vrubové houževnatosti na zkušebních t lesech rozm ru 100*100 mm, p i emž ko en vrubu je v míst hranice závaru (obr.2.14).

Obr.2.14 Zkušební t leso pro návarovou vrubovou zkoušku

Ohybová návarová zkouška se provádí ohýbáním desky s nava eným svarem ve žlábku (obr.2.15). Zkouška vyhovuje, jestliže se dosáhne v norm p edepsaný úhel ohybu bez toho, že by nastal lom v celém pr ezu zkušebního t lesa.

23

200

r=1


6t+300

t 2t(3t)

3t

t

t

35

100

6t

50

100

5t

50

Obr.2.15 Ohybová návarová zkouška a zkouška lámavosti tupého svaru

Zkouška odolnosti proti k ehkému lomu p i snížených teplotách se používá u ocelí tlouš ky v tší než 10 mm. Je to v podstat vrubová zkouška houževnatosti p i teplot 0 °C.

2.5

Konstruk ní materiály

Nosné ocelové konstrukce se navrhují z takových materiál , který mají požadované chemické složení a vykazují p edepsané fyzikální, mechanické a jiné vlastnosti. Oceli o tažnosti menší než 15 % není vhodné používat pro sva ované ocelové konstrukce. Oceli uvedené v tab.2.2 tomuto požadavku na tažnost vyhovují.

2.5.1

Druhy ocelí a obecný systém jejich ozna ování

Základní sortiment výchozích materiál pro prvky a dílce sva ovaných, šroubovaných a nýtovaných ocelových konstrukcí ur ených k použití p i okolních atmosférických teplotách tvo í výrobky z nelegovaných konstruk ních ocelí válcovaných za tepla. Dodávají se podle SN EN 10025 + A1:1996 – Výrobky válcované za tepla z nelegovaných konstruk ních ocelí, Technické dodací podmínky. Oceli ur ené k použití za normálních a nízkých teplot pro vysoce namáhané sva ované konstrukce (nap . mosty, vrata plavebních komor, zásobníky, nádrže apod.) se dodávají podle SN EN 10113-1 až 3 : 1994 – Výrobky válcované za tepla ze sva itelných jemnozrnných konstruk ních oceli. V souladu se systémem zkráceného ozna ování podle SN EN 10027-1 : 1995 – Systémy ozna ování ocelí, ást 1: Systém zkráceného ozna ování – Základní symboly a dále ve smyslu informa ního ob žníku ECISS (European Committee for Iron and Steel Standardization) SN ECISS IC 10 . 1993 – Systémy ozna-

24

Materiál

ování ocelí, Systém zkráceného ozna ování – P ídavné symboly se oceli oznaují zp sobem ilustrovaným následujícími p íklady: Ocel EN 10025 – S235JRG1; Ocel EN 10025 – S235J0C, Ocel EN 10025 – S355J2G3C; Ocel EN 10025 – S355J0W; Ocel EN 100113-2 – S40N; Ocel EN 100113-3 – S460ML; Ocel EN 10137 – S460Q, apod. Zna ka oceli vycházející z jejího použití a mechanických vlastností (nap . S235) je tvo ena základním symbolem, který obsahuje ozna ení specifikace použití oceli nap .: S – oceli pro ocelové konstrukce pro všeobecné použití, P – oceli pro tlakové nádoby, L – oceli na potrubí, B – oceli na výztuž pro beton, R – oceli na kolejnice, Y – oceli pro p edpínací výztuž do betonu, E – oceli na strojní sou ásti,

a íslem udávajícím minimální hodnotu meze kluzu materiálu v N.mm-2 pro tlouš ky výrobk t 16 mm (v p ípad výztuže do betonu se uvádí íslo odpovídající hodnot charakteristické meze kluzu). Zna ka oceli tedy definuje pevnostní t ídu a použití materiálu. P ídavný symbol v ozna ení oceli (nap . J0) ozna uje jakostní stupe oceli up es ující její sva itelnost a zaru ené hodnoty nárazové práce. P i azení p ídavných symbol k velikosti nárazové práce je z ejmé z tab. 2.1. Tab.2.1 P ídavné symboly v ozna ení oceli

Nárazová

Zkušební teplota (°C)

práce 27 J

+20

0

-20

-30

-40

-50

-60

JR

J0

J2

J3

J4

J5

J6

40 J

KR

K0

K2

K3

K4

K5

K6

60 J

LR

L0

L2

L3

L4

L5

L6

Oceli jakostních stup JR, J0, J2 a K2 jsou obecn vhodné ke sva ování. Svaitelnost p ízniv vzr stá od jakostního stupn JR k dalším stup m až po K2. Za zna kou oceli, p íp. za zna kou oceli dopln nou p ídavným symbolem mohou následovat další dopl kové p ídavné symboly up es ující zp sob výroby oceli a dodací podmínky, nap .: G1 – neuklidn ná ocel, G2 – neuklidn ná ocel není dovolena, G3, resp. G4 – stav dle volby výrobce, nap . oceli normaliza n žíhané a pln uklidn né (obsahující prvky dostate n vázající dusík), C – vhodnost tvá ení za studena, W – odolnost proti atmosférické korozi, N – normaliza ní žíhání nebo normaliza ní válcování, W - termomechanické válcování, L – zaru ená minimální hodnota nárazové práce p i -50 °C, Q – zušlecht ná ocel. Ve smyslu evropských norem se zavádí následující obecné len ní druh oceli:

25


• oceli obvyklé jakosti – oceli S235, S275 a S355 jakostního stupn JR (neníli zaru ována vhodnost k tvá ení za studena), • jakostní oceli nelegované – oceli S235, S275, S355 jakostních stup J2G3, J2G4, K2G3 a K2G4,

J0,

• legované oceli ušlechtilé – oceli S420 a S460.

2.5.2

Doporu ené základní materiály

Doporu ené základní materiály pro sva ované ocelové konstrukce jsou uvedeny v tab. 2.2. Pevnostní t ída oceli se volí se z etelem na p íslušné funk ní, konstruk ní, výrobní a ekonomické podmínky vztahující se k uvažovanému nosnému systému. P i volb jakostního stupn je t eba uvážit zp sob a namáhání prvku, tlouš ku materiálu, provozní teploty konstrukce, d sledky porušení konstrukce i technologii spojování. V tab.2.2 je uvedeno p i azení evropských ocelí k odpovídajícím eským materiál specifikovaným p íslušnou národní technickou normou (tzv. materiálovým listem). Tak nap . pro konstruk ní oceli pevnostní t ídy S235 platí následující eské normy s p íslušnou charakteristikou oceli a vhodnosti jejího použití: •

SN 41 1373 : 1994 – Ocel 11 373 Neušlechtilá konstruk ní ocel obvyklé jakosti vhodná ke sva ování. Vhodná na sou ásti konstrukcí a stroj menších tloušt k, i tavn sva ované, namáhané staticky i mírn dynamicky. Ekvivalent evropského ozna ení S235JRG1.

•

SN 41 1375 : 1994 – Ocel 11 375 Neušlechtilá konstruk ní ocel obvyklé jakosti vhodná ke sva ování. Vhodná na sou ásti konstrukcí a stroj st edních tloušt k tavn sva ované, namáhané staticky i dynamicky. Ekvivalentní ozna ení S235JRG2.

•

SN 41 1378 : 1994 – Ocel 11 378 Nelegovaná konstruk ní jemnozrnná jakostní ocel vhodná ke sva ování. Vhodná na mostní a jiné sva ované konstrukce a ásti stroj . Ekvivalentní ozna ení S355J0.

Pro konstruk ní oceli pevnostní t ídy S355 platí obecn : •

SN 41 1523 : 1994 – Ocel 11 523 Nelegovaná konstruk ní jemnozrnná jakostní ocel vhodná ke sva ování. Vhodná na mostní a jiné sva ované konstrukce a sou ásti stroj . Ekvivalentní ozna ení : S355J0.

•

SN 41 1503 : 1994 – Ocel 11 503 Nelegovaná konstruk ní jemnozrnná jakostní ocel vhodná ke sva ování. Vhodná na konstrukce v tších tloušt k p sobící p i nižších teplotách (až do -50 °C).

Pro konstrukce vystavené atmosférickým vliv m vn jšího prost edí se používaly nízkolegované patinující oceli nevyžadující ochranné antikorozní nát ry, a to 26

Materiál

ocel 15 127 – Atmofix A dle SN 41 5217 na bázi Cr, Ni, Cu, P odpovídající pevnostní t íd oceli S355J2 (se z etelem na zvýšený obsah fosforu je tato ocel vhodná pro menší tlouš ky hutních výrobk v rozsahu do 12 až 16 mm) a dále ocel 15 217 – Atmofix B dodávaná dle technické normy výrobce oceli na bázi Cr, Ni, Cu odpovídající pevnostní t íd oceli S355K2 (pro v tší tlouš ky hutních výrobk ). Zvýšený obsah legujících prvk , zejména m di, zp sobuje vyvytvo ení kompaktní krycí vrstvy korozních produkt zabra ující prostupu koroze do hloubky pr ezu. Tab.2.2 Doporu ené základní materiály pro sva ované ocelové konstrukce

Pevnostní t ída oceli S235

Jakostní stupe podle SN EN10025+A1 JR

J0

J2

11 373

11 378

11 378

11 448

11 448

K2

11 375 S275

11 443

11 449 S355

11 523

11 523

11 503

11 503 Materiálové pevnostní charakteristiky jsou pro jednotlivé pevnostní t ídy oceli definovány jmenovitými hodnotami meze kluzu fy a meze pevnosti v tahu fu, jež jsou pro válcované hutní výrobky z oceli pevnostních t íd S235, S275 a S355 uvedeny v tab.2.3. Tab.2.3.Jmenovité hodnoty meze kluzu a meze pevnosti

tlouš ka t [mm] t ≤ 40 mm

40 < t ≤ 100 mm

Pevnostní t ída oceli

fy [MPa]

fu [MPa]

fy [MPa]

fu [MPa]

S235

235

360

215

340

S275

275

430

255

410

S355

355

510

335

490

Jmenovité hodnoty podle tab.2.3.považujeme za hodnoty charakteristické. Jmenovité hodnoty meze kluzu a meze pevnosti patinujících ocelí 15 217 a 15 127 se považují rovné hodnotám pro oceli pevnostní t ídy S355. Pro oceli v tab.2.2 neuvedené, považujeme za jmenovité hodnoty nejnižší mez kluzu a dolní hranici rozp tí pevnosti v tahu uvedené v normách jakosti p íslušných ocelí. Tyto hodnoty rovn ž uvažujeme jako charakteristické hodnoty meze kluzu a meze pevnosti p íslušné oceli. Celý sortiment válcovaných výrobk (pásy, široká ocel, ploché ty e, plechy a tvarované ty e) pro použití na nosné ocelové konstrukce staveb a technologic27


ké za ízení se dosud u nás vyrábí pouze v jakosti S235. Podstatné rozší ení tradi ního sortimentu pevnostních t íd ocelí p i realizaci ocelových konstrukcí bude v dalším období velmi výrazným rysem dalšího rozvoje používání efektivních nosných systém .

2.5.3

Jakostní a ušlechtilé oceli vyšších a vysokých pevností

Tradi ní technologické postupy zvyšování pevnosti oceli byly založeny zejména na legování a tepelném zpracování upravujícím strukturu materiálu. Vzr stající množství legujících p ísad upravující chemické složení oceli se však m že projevit nep íznivými vlivy na vrubovou houževnatost a odolnost proti k ehkému lomu i na sva itelnost. Nežádoucí d sledky legování lze eliminovat složit jšími postupy tepelného zpracování ( ízené ochlazování, zušlech ování, tj. kalení a popoušt ní, apod.). Výroba t chto druh ocelí je pom rn nákladná, což se projevuje výrazným zvýšením jejich ceny a rovn ž v pr b hu realiza ního procesu je u t chto materiál t eba dbát na náro n jší pln ní podmínek zabezpe ujících nezbytnou kvalitu nosné konstrukce (návrh postupu sva ování, p edeh ívání již p i st edních tlouš kách aj.). Podstatou soudobých technologických postup výroby oceli vyšších a vysokých pevností je minimalizace obsahu legujících prvk a nízký obsah uhlíku. Chemické složení t chto ocelí je podobné složení b žných ocelí obvyklých jakostí i nelegovaných jakostních ocelí a nemá tedy nep íznivé d sledky na vrubovou houževnatost a sva itelnost projevující se u materiál legovaných. Vysoké pevnosti je dosahováno termomechanickým válcováním nebo kalením p i válcování s následným temperováním. Urychlené pr b žné ochlazování bezprost edn po vyválcování výrobku, resp. kalení náhlým ochlazením je realizováno tryskáním intenzivního proudu vody. Zjednodušen lze tedy uvedený technologický proces ozna it jako legování oceli vodou p i válcování. Následným temperováním se u ocelí vysokých pevností zabezpe í rovnom rnost jejich struktury., p ijatelná tažnost a zpracovatelnost. Nové postupy výroby t chto ocelí jsou efektivní též z hlediska výrobních náklad a dávají možnost výrazného snížení ceny ve srovnání s tradi ními technologickými procesy. V eské norm pro navrhování ocelových konstrukcí jsou zpracovány podklady použitelné v zásad pro základní konstruk ní materiál do pevnostní t ídy S355. Unifikovaný evropský technický p edpis SN P ENV 1993-11:1992/A1:1994 Eurokód 3 : Navrhování ocelových konstrukcí, ást 1-1: Všeobecn – Obecná pravidla a pravidla pro pozemní stavby, P íloha D – Použití ocelí t ídy S460 a S420 umož uje dimenzovat nosné ocelové konstrukce z materiál do pevnostní t ídy S460. Jmenovité hodnoty meze kluzu a meze pevnosti pro oceli podle této normy, jež ve výpo tech považujeme za hodnoty charakteristické, jsou uvedeny v tab.2.4. Výrazn v tšímu rozsahu praktického využívání výhod a efektivnosti materiál vyšších pevností p i realizaci nosných konstrukcí staveb u nás brání jednak tradi ní dominantní orientace požadavk praxe na oceli t ídy S235, v n kterých pr myslov vysp lých zemích již v podstat opušt ná (nap . ve Velké Británii se oceli této t ídy již nevyráb jí), jednak zejména též produkce domácích hutních podnik dodávajících na základ poptávky nezbytný široký konstruk ní sortiment dimenzí tvarovaných ty í a dalších typ pr ez dosud prakticky výhradn v této pevnostní t íd . 28

Materiál

Tab.2.4 Mez kluzu a mez pevnosti [MPa] ocelí S420 a S460

tlouš ka t [mm] t ≤ 40 mm

40 < t ≤ 100 mm

Pevnostní t ída oceli

fy [MPa]

fu [MPa]

fy [MPa]

fu [MPa]

S460N

460

550

430

550

S460M

460

530

430

530

S420N

420

520

390

520

S420M

420

500

390

500

tlouš ka t [mm] t ≤ 50 mm S460Q

460

550

50 < t ≤ 100 mm 440

550

100 < t ≤ 150 mm 400

500

Dostupnost základního sortimentu pr ez pro ocelové stavební konstrukce však již není v sou asné dob problémem. B žn se dodává široký sortiment válcovaných tvarových ty í pevnostní t ídy S235, S355 a S460. Od r. 1990 jsou dodávány válcované profily z nízkolegovaných ocelí pod ozna ením HISTAR 355 a HISTAR 460 vyráb né novou technologií kalením proudem vody s následným samovolným temperováním. Dosahuje se tak vysoké pevnosti oceli bez nep íznivých vliv legování chemickými p ísadami. Uvedené materiály vykazují vynikající vrubovou houževnatost p i nízkých teplotách i sva itelnost bez p edeh ívání. Sortiment pr ez této firmy se vyzna uje zejména zna ným rozsahem sortimentu t žkých ty ových profil velké výšky použitelných na mimo ádn intenzivn namáhané dílce vysokých budov, plošin pro t žbu nafty v mo i, most a jiných náro ných konstrukcí. V kvalit HISTAR se dodávají nap . pr ezy IPE 500 až IPE 750, HE 260A až HE 1000A, HE 260B až HE 1000B, HE 260m AŽ HE 1000M a širokop írubové sloupové pr ezy HD 260 až HD 400 (s tlouš kou p írub až 125 mm a hmotností až 1088 kg.m-1). Ustanovení pro navrhování ocelových konstrukcí z ocelí vyšší pevnosti než S460 nejsou v systému evropských norem dosud rozpracována. Nicmén ada významných evropských výrobc oceli, jako nap . British Steel, Dillinger Hütte, Rautaruukki, Fabrique de Fer, Thyssen Krupp Stahl i Voest-Alpine, již v sou asné dob b žn dodává plechy pevnostní t ídy až S700. Nové technologie výroby ocelí vyšších a vysokých pevností rozpracovala a prakticky zavedla zejména p ední švédská firma SSAB Oxelösund, len ocelá ského koncernu Svensk Stål Group, která vyrábí systémovou adu materiál pod ozna ením WELDOX se stupnicí pevnostní t ídy 355, 420, 460, 500, 700, 900, 960 a 1100. Jmenovitá mez pevnosti oceli WELDOX 1100 (dosud je ve vývoji) je 1200 až 1500 MPa. Pro stavební ocelové konstrukce lze p ijatelný rozsah pevností materiál rozšíit b žn až po t ídu S500, oceli vyšších pevnostních t íd až do S1100 jsou ú eln využitelné zejména u speciálních konstrukcí, jako jsou mobilní pohybli-

29


vé mosty a konstrukce, mobilní je áby, nádrže a zásobníky, potrubí a tlakové nádoby apod.

2.5.4

Válcované výrobky

Tvary a rozm ry válcovaných výrobk jsou normalizované. Válcované výrobky je možné rozd lit podle tvaru pr ezu do následujících skupin: • • • •

p edvalky, ty ová ocel, tvarová ocel, široká ocel a plechy.

P edvalky (obr.2.16) jsou ocelové výrobky válcované na p edvalkové stolici. P edvalky se používají na další válcování. Ty ová ocel (obr.2.16) jsou ty e r zných typ pr ez . Tvar pr ezu m že být nap . kruhový, tvercový, plochý, šestihranný. Tvarová ocel jsou vývalky u kterých prodloužením alespo zu tento pr ez protíná.

ásti obvodu pr e-

Mezi nejb žn jší pr ezy tvarové oceli používané na stavební ocelové konstrukce jsou úhelníky, profily I, U, H, T, L. Rozm ry pr ez se vyrábí podle p íslušných rozm rových norem. N které typy profil tvarové oceli jsou uvedeny na obr.2.17.

P edvalky sochory

140-360

50-130

110-200

bramy 140-360

bloky

50-130

150-900

Ty ová ocel

Obr.2.16 P edvalky a ty ová ocel

30

Materiál

t

IPE t

IE t

I

r

r

b/4

d h

h

d

R

h

b/4

d

R

b

R

b

HEM t

HEB t

t

HEA

b

d

d h

h

h

d

R

R

b

R

b

b

Obr.2.17 Válcované ty e I a H

Široká ocel a plechy je dalším typem válcovaných výrobk . Široká ocel se válcuje na universálních válcovacích ty válcových stolicích. Vzdálenost dvojic válc ležících naproti sob je možné m nit, takže vznikají r zné kombinace ší ek a tloušt k válcovaného pr ezu. Plech se válcuje mezi dv ma válci. Plechy se d lí na: hladké, žebrované, plechy s oválnými výstupky, vlnité, trapézové.

31


2.5.5

Dráty, lana, kabely

Dráty se vyrábí zpravidla válcováním. Dráty menšího pr m ru se vyrábí tažením. V ocelových konstrukcích se používají zejména vysokopevnostní kruhové patentované dráty. Dráty se zpravidla sdružují do svazk – kabel .

2.5.6

Trubky

Trubky používané v ocelových konstrukcích (obr.2.18) se vyrábí jako sva ované, bezešvé a p esné ocelové trubky. Na sva ované trubky se nekladou žádné speciální požadavky, používají se na pod adné ú ely. Bezešvé trubky se zpravidla vyráb jí válcováním. Jejich st na je celistvá, bez jakéhokoliv spoje nebo švu. Jsou nejvhodn jším konstruk ním materiálem na trubkové ocelové konstrukce. Vyráb jí se i tvercového nebo obdélníkového pr ezu. P esné ocelové trubky mohou být sva ované i bezešvé, jsou dodate n za studena tažené nebo válcované. Používají se zejména tam, kde jsou kladeny mimo ádné nároky na povrch trubky a na dodržení p esných tolerancí a na tlouš ku st ny.

Obr.2.18 Trubkové profily

2.5.7

Profily tvarované za studena

Tenkost nné profily d líme na otev ené a uzav ené. Otev ené se vyrábí tvarováním pásové oceli za studena. Uzav ené se vyrábí tažením za studena ze svaovaných trubek kruhového pr ezu. Požadovaného tvaru profilu m žeme dosáhnout válcováním, tažením a lisováním. P íklady tenkost nných profil pro stavební konstrukce jsou uvedeny na obr.2.19.

32

t

a

a

t

a

t

a

b

b

t

Materiál

t

a

h

h

t

a

a

a

Obr.2.19 Tenkost nné profily

Dráty vysoké pevnosti a lana se používají v ocelových konstrukcích jako samostatné nosné prvky, kotvící prvky, a p epínací prvky. Dráty a kabely je možné rozd lit do následujících skupin: kruhové dráty, patentové dráty na p epínací výztuž, dráty na výrobu lan, kabely, z patentovaných drát , z drát na výrobu lan. Lana se rozd lují na: vinuté, skládané. Vinutá lana jsou splétaná z jednotlivých drát a pramen . Jednopramenové lano m že být otev ené nebo uzav ené. Lano jednopramenové, šestipramenové a jednopramenové uzav ené je uvedeno na obr.2.20.

33


Skládaná lana jsou obvykle svazky t sn se dotýkajících drát , které vytvá ejí obvykle šestiúhelníkový pr ez.

Obr.2.20 Lana

34

Mezní stavy

3

Mezní stavy

P i navrhování ocelových konstrukcí se uvažují dv skupiny mezních stav , mezní stav únosnosti a mezní stav použitelnosti. Dosažením mezního stavu únosnosti rozumíme: • • • • • •

porušení stability polohy, p ekro ení pevnosti nebo nadm rné plastické deformace, ztrátu stability tvaru konstrukce nebo n které její ásti, únavový lom, k ehký lom, plastické poškození p i prom nném zatížení.

Dosažením mezního stavu použitelnosti rozumíme: • nadm rné pr hyby, • nep ijatelnou dynamickou odezvu (nap . kmitání apod.). P i správném navržení konstrukce nesmí být žádný z možných mezních stav p ekro en. Je nutné uvažovat všechny možné návrhové situace a zat žovací p ípady, v etn b žného užívání, montáže, oprav i nehod. Výpo etní modely mají zahrnovat všechny d ležité faktory, v etn odhadu skute ného chování konstrukce, úrovn výroby a spolehlivost vstupních dat. Podle pot eby je možné výpo et doplnit nebo nahradit experimentem podle normativních p edpis . Aby byla zajišt na požadovaná trvanlivost konstrukce, je t eba ve výpo tu uvažovat následující navzájem související initele: • • • • • • • •

ú elu konstrukce požadavku na funkci konstrukce o ekávaných podmínek prost edí vlastností materiálu tvaru konstruk ních prvk a konstruk ních detail úrovn provád ní, kontroly a údržby ochranných opat ení o ekávané doby života konstrukce ( za standard se považuje 80 let).

3.1

Vlastnosti materiálu

Vlastnost materiálu se vyjad uje charakteristickou hodnotou Xk, která je definována jako 5 % kvantil statistického rozložení p íslušné materiálové vlastnosti. Z charakteristické hodnoty se pomocí díl ích sou initel spolehlivosti γΜ vypo ítá návrhová hodnota Xd, která p ísluší návrhovému kvantilu pro vznik mezního stavu. Hodnoty návrhové pevnosti se ur í ze vztahu:

fd =

fk

γM

,

35


kde

fk je charakteristická hodnota pevnostní veli iny (meze kluzu fy nebo pevnosti v tahu fu),

γΜ je díl í sou initel spolehlivosti materiálu. Pokud jsou k dispozici pot ebné údaje, je možné návrhové nebo charakteristické hodnoty pevnostních veli in materiálu ur it statistickým výpo tem. Návrhové hodnoty jiných materiálových veli in se ur ují obdobným zp sobem jako návrhová pevnost (viz výše). Výjimky jsou uvedeny v normativních p edpisech. Pokud nejsou charakteristické hodnoty materiálových veli in známy, lze je nahradit , podle pokyn p íslušné normy, jmenovitými hodnotami.

3.2

Podmínky spolehlivosti

Stavební konstrukce musí vyhov t daným požadavk m spolehlivosti a to pro oba mezní stavy. Pro mezní stav únosnosti musí byt spln na podmínka:

γ n ⋅ S d ≤ Rd , kde

Sd je ú inek extrémního návrhového zatížení, Rd

návrhová únosnost,

γn sou initel ú elu konstrukce podle SN 73 0031. Pro mezní stav použitelnosti je t eba posoudit, zda ú inky od provozního návrhového zatížení nejsou v tší než p íslušné mezní hodnoty.

3.3

Mezní stavy únosnosti

Pro výpo et prvního mezního stavu únosnosti musíme ur it návrhové pevnosti oceli a to návrhovou pevnost odvozenou z meze kluzu fy nebo meze pevnosti v tahu fu. Hodnota návrhové pevnosti fyd oceli, odvozená od meze kluzu, se ur í z výrazu:

f yd = kde

fy

fy

γM

,

je charakteristická hodnota meze kluzu oceli,

γM díl í sou initel spolehlivosti materiálu γM0 nebo γM1 uvedený v tab.3.1 Hodnota návrhové pevnosti fud oceli, odvozená od pevnosti v tahu, se ur í z výrazu:

f ud = kde

fu

fu

γM2

,

je charakteristická hodnota pevnosti oceli v tahu, 36

Mezní stavy

γM2 díl í sou initel pr ezu oslabeného dírami pro šrouby nebo nýty dle tab.3.1 . Tab.3.1 Díl í sou initele pr ezu pevnostní t ída oceli podle SN EN 10025+A1 únosnost γΜ S275 S235 S355 pr ezy t ídy 1, 2, 3

γΜ0

pr ezy t ídy 4

γΜ1

stabilita

γΜ1

pr ezy oslabené dírami pro šrouby

γΜ2

1,15

1,3

P i návrhu ocelových konstrukcí m že být využito plastických vlastností oceli pokud jsou spln ny následující podmínky:

• pom r charakteristických hodnot pevnosti v tahu fu a meze kluzu fy je alespo 1,20, • tažnost materiálu je alespo 15 %.

3.4

Mezní stavy použitelnosti

Mezní stav použitelnosti je takový stav, p i kterém je ztížené b žné používání konstrukce. Konstrukce p estává sloužit svojí funkci. Ur ení mezních hodnot použitelnosti závisí na vztahu ú ink p edpokládaných zatížení a provozních požadavk z hlediska ádného pln ní požadované funkce konstrukce. Ú inky zatížení jsou z hlediska použitelnosti vyjád eny zejména:

• pružným p etvo ením, • dynamickou odezvou, vyjád enou nap . frekvencí nebo zrychlením, • pružnoplastickým p etvo ením, p i emž plastickou redistribuci sil a moment lze p ipustit pouze za p edpokladu, že se prokazateln nebude opakovat, • p emíst ním konstrukce, nap . na poddolovaném území, • otevíráním styk , prokluzem ve spojích apod., • vlivem provozované konstrukce na okolní prost edí, nap . hlukem vnikajícím p i zatížení konstrukce. Požadavky z hlediska použitelnosti konstrukce jsou:

• • • •

zachování kvality životního prost edí, pohoda lov ka, v etn estetického dojmu, správná funkce stavby a v ní umíst ných stroj a za ízení, vylou ení nebo omezení poruch výpl ového a jiného stavebního vybavení objektu, • návaznost objektu v etn ocelové nosné konstrukce na inženýrské sít , komunikace sousední objekty apod.,

37


• vodot snost a plynot snost, je- li vyžadována. P i mezním stavu použitelnosti se posuzuje, zda ú inky od provozního návrhového zatížení nejsou v tší, než mezní hodnoty uvedené v norm . Je také t eba p ihlédnout ke zvláštním výrobním nebo provozním opat ením, které ovliv ují použitelnost konstrukce, jako jsou nap . nadvýšení a rektifikovatelnost konstrukce apod. Výpo et pružného svislého pr hybu se ur í z výrazu (obrázek 3.1):

δ max = δ 1 + δ 2 − δ 0 , kde

δmax je výsledný pr hyb vztažený k p ímce spojující podpory, δ0

nadvýšení nosníku v nezatíženém stavu – stav (0),

δ1

pr hyb nosníku od stálých zatížení vzniklý bezprost edn po zatížení – stav (1),

δ2

sou et pr hyb nosník od nahodilých zatížení a asový nár st od stálých zatížení – stav (2).

obr.3.1 Svislé pr hyby

38

Klasifikace pr ezu

4

Klasifikace pr ezu

Pr ezy se klasifikují podle štíhlosti a únosnosti jejich jednotlivých tla ených a ohýbaných ástí, tj. stojin a pásnic. V závislosti na klasifikaci rozhodujících pr ez lze m že uplatnit plasticitní nebo pružnostní výpo et ocelových prut a konstrukcí. Definují se ty i t ídy pr ez :

• pr ezy 1. t ídy – je možné v nich p edpokládat úplný plastický kloub s dostate nou kapacitou pootá ení pro redistribuci vnit ních sil • pr ezy 2. t ídy – je možné p edpokládat plnou plastickou ohybovou únosnost, pr ezy mají omezenou kapacitu pootá ení • pr ezy 3. t ídy – u nich je možné p edpokládat pouze plnou pružnou únosnost, definovanou dosažením návrhové pevnosti v nejvíce namáhaných tlaených vláknech • pr ezy 4. t ídy – jejich ohybová nebo tlaková únosnost je v d sledku lokálního boulení st n nebo pásnic menší, než je jejich plná pružná únosnost. Maximální štíhlosti tla ených a ohýbaných ástí pr ez pro definované t ídy 1, 2 a 3 obsahuje tab.4.1. Pr ez se za azuje podle nejnep ízniv jší (nejvyšší) t ídy jeho jednotlivých ástí. Pr ezy, spl ující maximální štíhlosti pro t ídy 1, 2 nebo 3, se považují za kompaktní. Pr ezy t ídy 4, které nespl ují požadavky maximálních štíhlostí pro t ídu 3, se považují za štíhlé. Ú inné vlastnosti pr ez 4. t ídy se stanoví na základ efektivních ší ek tla ených ástí. Efektivní ší ky rovných tla ených ástí se ur í podle tab.4.2, pro které se reduk ní sou initel ρ stanoví následovn :

• pro λ´p 0,673

ρ = 1,

• pro λ´p> 0,673

ρ = (λ´p – 0,22)/λ´p2 ,

kde λ p je pom rná desková štíhlost daná vztahem:

λp = kde

fy

σ cr

=

b′ 28,4 × ε × t × kσ

,

t je tlouš ka tla ené ásti,

σcr kritické nap tí p i boulení této ásti, kσ sou initel kritického nap tí z tab.4.2 ,

ε=

235 , fy

b´ ší ka, která je: b´ = d pro stojiny b´ = b pro vnit ní ásti pásnic s výjimkou hranatých trubek b´ = c pro p e nívající ásti pásnic

39


b´ = b-3t pro pásnice hranatých trubek b´ = h pro úhelníky, pro nerovnoramenné úhelníky je h delší rameno Tab.4.1 Zat íd ní pr ezu (c) P e nívající ásti pásnic válcované pr ezy

sva ované pr ezy

c

d

h

c

Stojna namáhaná tlakem a ohybem + +fy

-fy -

+fy

T ída/pr ez

-fy

Pásnice v tlaku

Pr b h nap tí v pásnici, tlak zna en kladn .

d h

+ +fy d h

+ +fy d h

Rozd lení nap tí po stojn , tlak je zna en kladn , plastické p sobení

Stojna namáhaná tlakem

α.d

Stojna namáhaná ohybem

T ída

c

c

tf

tw

tf

tw

tf

tw

d

tw

d

tf

tf

(a) Stojny: vnit ní ásti kolmé k ose ohybu

Stojna namáhaná tlakem αc

αc

+

+

+ -

c

Stojna namáhaná tlakem a ohybem

c

c

-

-

+

1

d/tw < 72ε

d/tw < 33ε

válcované d/tw < 396ε/(13α-1);pro α>0,5 1 d/tw < 36ε/(13α-1);pro α<0,5 sva ované

c/tf < 10ε c/tf < 9ε

c/tf < 10ε/α c/tf < 9ε/α

c/tf < 10ε/(α α ) c/tf < 9ε/(α α )

2

d/tw < 83ε

válcované d/tw < 456ε/(13α-1);pro α>0,5 d/tw < 38ε d/tw < 41,5ε/(13α-1);pro α<0,5 2 sva ované

c/tf < 11ε c/tf < 10ε

c/tf < 11ε/α c/tf < 10ε/α

c/tf < 11ε/(α α ) c/tf < 10ε/(α α )

+

+ +fy

-

3

+fy

-fy

d h

+fy

-ψfy

+

d/tw < 124ε

+ Pr b h nap tí v pásnici, tlak zna en kladn .

d h

+fy d h

Rozd lení nap tí po stojn , tlak je zna en kladn , pružné p sobení

(b) Vnit ní ásti pástnic rovnob žné s osou ohybu

c

c

c/tf < 10ε c/tf < 9ε

c/tf < 23ε/ kσ ) kσ dle tabulky f,g c/tf < 21ε/ kσ )

(d) Úhelníky ( neplatí pro úhelníky pr b žn spojené s jinými profily

tf

h tf

tf

+

+

-

c

-

d/tw < 42ε/(0,67+0,33ψ); válcované pro ψ>−1 3 sva ované d/tw < 62ε/(1-ψ) (-ψ);pro ψ<−1

d/tw < 42ε

+

b

b b

tf

b

t

b

Pr ez v ohybu

+fy Pr b h nap tí v pásnici a v pr ezu, tlak zna en kladn .

Pru ez v tlaku

-

(b-3tf)/tf < 33ε b/tf < 33ε

(b-3tf)/tf < 42ε b/tf < 42ε

2

válcované uzav ené ostatní

(b-3tf)/tf < 38ε b/tf < 38ε

(b-3tf)/tf < 42ε b/tf < 42ε

+fy


h/t < 11ε

2 3


3

h/t < 10ε

1 +

+fy + -

(b-3tf)/tf < 42ε b/tf < 42ε

h/t < 15ε a sou asn (b+h)/2t<11,5ε

Pro úhelník namáhany ohybem nebo kombinací platí tabulka c (e) Trubky

T ída

+

(b-3tf)/tf < 42ε b/tf < 42ε

t

Pr ez v tlaku

T ída

+fy +

1

Pr b h nap tí v pásnici a v pr ezu, tlak zna en kladn .

+fy

d

T ída/pr ez

+fy Pr b h nap tí v pr ezu, tlak zna en kladn .

t

Pr ez v tlaku, ohybu , v tlaku a ohybu

1

d/t < 50ε 2

2

d/t < 70ε 2

3

d/t < 90ε 2

fy

235

275

355

ε = 235/fy

235

275

355

40

Klasifikace pr ezu

Tab.4.2 Efektivní ší ky pr ez (f) Efektivní ší ky, vnit ní tla ené ásti pr ezu Nap tí, tlak má kladné znaménko Efektivní ší ka beff σ1

σ2

+ be1

b

ψ = +1 beff = ρ.b

(g) Efektivní ší ky, p e nívající ásti pr ezu Nap tí, tlak má kladné znaménko Efektivní ší ka bef σ2

be1 = 0,5 . beff

be2

beff

1>ψ>0

σ1

+

beff = ρ.c

b

be2 = 0,5 . beff σ1

σ2

+ be1

b

1>ψ>0 be1 = 2beff/(5-ψ)

be2

bt

+

σ2

b

be2 = beff - be1 ψ<0

σ1

+ be1

b

be2

σ2

beff = ρ.bc = ρ.b/(1-ψ)

ψ = σ2/σ1 sou initel krit. nap tí kσ

ψ<0

σ1

beff = ρ.bc = ρ.c/(1-ψ)

bc

+1

0

−1

1>ψ> −1

0,43

0,57

0,85

0,57 0,21ψ+0,07ψ

2

be1 = 0,4 . beff be2 = 0,6 . beff

+1 1>ψ>0 0 ψ = σ1/σ2 sou initel krit. 4,0 8,2/(1,05+ψ) 7,81 nap tí kσ 0>ψ> −1 −1 −1>ψ> −2 ψ = σ1/σ2 sou initel krit. 2 5,98(1−ψ2 ) 23,9 7,81−6,29ψ+9,78ψ nap tí kσ Jinak pro 1>ψ>-1 platí p ibližn : 16 kσ = [(1+ψ)2 + 0,112(1−ψ)2 ]0,5+ (1+ψ) Pom r nap tí ψ lze u pásnic vypo ítat pro plný pru ez, u stojin pro pr ez s plnou stojnou a efektivní tla enou pásnicí

4.1

beff

beff = ρ.b

σ1

+ b

σ1

σ2

beff = ρ.c

beff

bt

beff

ψ<0

+ bc

b

1>ψ>0

σ2

beff = ρ.bc = ρ.c/(1-ψ)

1>ψ> 0 +1 0>ψ> −1 ψ = σ2/σ1 0 −1 sou initel krit. 2 0,578/(ψ+0,34) 5ψ+17,1ψ 1,7 0,43 1,70 23,8 nap tí kσ

Požadavky na pr ezy p i pružnostním výpo tu vnit ních sil

Podle zat íd ní pr ezu po ítáme s jeho ohybovou únosností následovn : • ohýbané a tla ené ásti pr ezu spl ují požadavky pro t ídu 3 – po ítá se s jejich pružnou ohybovou únosností • ohýbané a tla ené ásti pr ezu spl ují stabilitní požadavky pro t ídu 2 – m že se po ítat s plnou plastickou ohybovou únosností nejvíce namáhaného pr ezu • pro pr ezy t ídy 1 nebo 2 lze ve staticky neur itých konstrukcích momenty získané pružnostním výpo tem podle teorie 1. ádu p erozd lit až o 15% extrémního pružného momentu každého prutu za p edpokladu, že vnit ní síly a momenty v konstrukci z stanou v rovnováze s vn jším zatížením • u štíhlých pr ez t ídy 4 je t eba po ítat s jejich redukovanou tlakovou nebo ohybovou únosností v d sledku jejich tla ených ástí.

4.2

Požadavky na pr ezy p i plastickém výpo tu vnit ních sil

Plasticitní výpo et vnit ních sil a moment se m že uplatnit u staticky neur itých konstrukcí, jestliže pr ezy v místech plastických kloub spl ují požadav-

41


ky pro t ídu 1 podle tab.4.1. Pr ezy v místech plastických kloub mají mít zatížení v rovin symetrie a mají být p í n vyztužené. P i plastickém výpo tu musí být konstrukce v místech plastických kloub p í n zabezpe ena proti vybo ení, p i emž ztužující p í ná podpora nesmí být od místa teoretického plastického kloubu vzdálena více, než je polovina výšky pr ezu. U prutu prom nného pr ezu má být ohýbaná stojina a tla ená pásnice t ídy 1 minimáln do vzdálenosti rovné dvojnásobku výšky stojiny od místa plastického kloubu. V ostatních ástech prutu má být tla ená pásnice t ídy 1 nebo 2 a ohýbaná stojina t ídy 1, 2 nebo 3, p i emž by m ly být v každém pr ezu spln ny podmínky únosnosti podle normativních p edpis . Plasticitní výpo et lze uplatnit i u pr ez se stojinami, jejichž štíhlost je v tší než maximální štíhlost t ídy 1 a 2. Lokální stabilita takové stojiny ale musí být v místech plastických kloub zajišt na pomocí dostate n tuhých p í ných a podélných výztuh. Stabilizující p í né a podélné výztuhy je t eba navrhnout tak, aby p echázely až do pružných oblastí namáhání prutu. Potom se podle tab.4.1 posuzuje: •

ást stojiny mezi tla enou pásnicí a podélnou výztuhou jako tla ená oboustrann podep ená stojina

•

ást stojiny mezi podélnou výztuhou a taženou pásnicí jako ohýbaná oboustrann podep ená stojina.

42

Záv r

5

Záv r

V této ásti modulu jsou numericky vy ešeny t i p íklady. Prvé dva p íklady se vztahují ke klasifikaci pr ezu, t etí p íklad se zabývá ur ením ú inných vlastností pr ezu t ídy 4. Dále tato ást obsahuje kontrolní otázky a shrnutí problematiky tohoto modulu.

5.1

P íklady

P íklad 1 Klasifikujte otev ený sva ovaný pr ez sloupu podle obr.5.1, použitý materiál je ocel S275. Stojina i pásnice jsou namáhány tlakem.

Obr.5.1Sva ovaný pr ez

Poznámka 1

Pro klasifikaci pr ezu byl použit postup dle SN 73 1401 Navrhování ocelových konstrukcí.

2

Klasifikace pr ez byla provedena podle Tabulky 6.2.dokumentu SN 73 1401, resp. podle tabulky tab.4.1 tohoto modulu.

3

Stojina

ε=

235 = fy

235 = 0,924 275

> 33 ⋅ ε = 33 ⋅ 0,924 = 30,5 d 332 = = 33,2 < 38 ⋅ ε = 38 ⋅ 0,924 = 35,1 tw 10 Stojina odpovídá svojí klasifikací 2. t íd .

43


P e nívající ásti pásnic c 93 = = 7,75 < 9 ⋅ ε = 9 ⋅ 0,924 = 8,32 t f 12 Pásnice odpovídá svojí klasifikací 1. t íd , viz tab.4.1. Celková klasifikace pr ezu O celkové klasifikaci pr ezu rozhoduje ást pr ezu s vyšším zat íd ním. V tomto p ípad pásnice. Pr ez odpovídá svojí klasifikací 2. t íd .

P íklad 2 Klasifikujte uzav ený sva ovaný pr ez podle obr.5.2, použitý materiál je ocel S235. Pr ez je namáhám ohybem v rovin v tší tuhosti.

Obr.5.2 Sva ovaný uzav ený pr ez

Poznámka 4

Pro klasifikaci pr ezu byl použit postup dle SN 73 1401 Navrhování ocelových konstrukcí.

5

Klasifikace pr ez byla provedena podle Tabulky 6.2. dokumentu SN 73 1401, resp. podle tabulky tab.4.1 tohoto modulu.

Stojina

ε =1 > 72 ⋅ ε = 72 ⋅ 1 = 72 d 580 = = 372,5 < 83 ⋅ ε = 83 ⋅ 1 = 83 tw 8 Stojina odpovídá svojí klasifikací 2. t íd , viz tab.4.1.

Vnit ní ásti pásnic

44

Záv r

b 300 = = 18,75 < 33 ⋅ ε = 33 ⋅ 1 = 33 tf 16 Vnit ní ásti pásnic odpovídají svojí klasifikací t íd 1, viz tab.4.1.

P e nívající ásti pásnic c 98 = = 6,13 < 9 ⋅ ε = 9 ⋅ 1 = 9 t f 16 P e nívající ásti pásnic odpovídají svojí klasifikací t íd 1, viz tab.4.1. Celková klasifikace pr ezu Pr ez odpovídá svojí klasifikací 2.t íd . P íklad 3 Ur ete ú inné vlastnosti sva ovaného ohýbaného pr ezu podle obr.5.3., použitý materiál je ocel S235.

obr.5.3 Sva ovaný ohýbaný pr ez

3.1

Zat íd ní pr ezu c 145 βf = = = 6,04 < 9 ⋅ ε = 9 ⋅ 1 = 9 tf 24

pásnice je t ídy 1

d 1800 = = 180 > 124 ⋅ ε = 124 ⋅ 1 = 124 stojina je t ídy 4 – rozhoduje tw 10 Desková štíhlost d 1800 λp = = = 1,30 28,4 ⋅ ε ⋅ t w ⋅ kσ 28,4 ⋅ 1 ⋅ 10 ⋅ 23,9

βw =

sou initel kritického nap tí kσ = 23,9

45


reduk ní sou initel

ρ=

λ p − 0,22 λ

2 p

=

1,30 − 0,22 = 0,64 ≤ 1 1,30 2

p sobící ší ka st ny

be ,eff = ρ ⋅ be = 0,64 ⋅ 900 = 576mm be1 = 0,4 ⋅ be ,eff = 0,4 ⋅ 576 = 230,4mm be 2 = 0,6 ⋅ be ,eff = 0,6 ⋅ 576 = 345,6mm efektivní pr ezové veli iny + nová poloha neutrální osy

S y = 10 ⋅ 324 ⋅ 345,6 +

324 = 1,64 ⋅ 106 mm 2 2

Aeff = 2 ⋅ 300 ⋅ 24 + 10 ⋅ (230,4 + 345,6 + 900 ) = 2,92 ⋅ 10 4 mm 2 eNy =

Sy Aeff

=

1,64 ⋅ 106 = 56,2mm 2,92 ⋅ 10 4

1 1 ⋅ 300 ⋅ 243 + 300 ⋅ 24 ⋅ 855,82 + ⋅ 10 ⋅ 843,83 + 10 ⋅ 843,8 ⋅ 421,9 2 + 12 12 1 1 + ⋅ 10 ⋅ 632,23 + 10 ⋅ 632,2 ⋅ 316,12 + ⋅ 300 ⋅ 243 + 300 ⋅ 24 ⋅ 968,22 = 12 12 10 4 = 1,49 ⋅ 10 mm

I eff , y =

Weff , y , e =

I eff , y zc

1,49 ⋅ 1010 = = 1,52 ⋅ 107 mm3 980,2

46

Záv r

5.2

Kontrolní otázky

1

Popište základní druhy tepelného zpracování oceli.

2

Vysv tlete obsah pojmu „rekrystalizace oceli“.

3

Vysv tlete rozdíl mezi uklidn nou a neuklidn nou ocelí.

4

Vyjmenujte základní fyzikální charakteristiky oceli.

5

Jaké jsou základní mechanické vlastnosti oceli, vysv tlete pracovní diagram oceli, vysv tlete rozdíl mezi smluvním a skute ným pracovním diagramem..

6

Jaké zkoušky oceli znáte, popište jednotlivé typy.

7

Vyjmenujte druhy konstruk ních ocelí, popište rozdíly mezi nimi.

8

Jaký znáte sortiment ocelových konstruk ních materiál ?

9

Vysv tlete princip navrhování ocelových konstrukcí podle metodiky mezních stav .

10 Jakým zp sobem se klasifikují pr ezy v procesu návrhu ocelových konstrukcí?

5.3

Shrnutí

Modul, který jste prostudovali, obsahuje základní informace o materiálu oceli jako takové, tzn. o struktu e, výrob , fyzikálních a mechanických vlastnostech a zkouškách oceli. Uveden je také základní sortiment ocelových konstruk ních materiál . Stru n je uvedena taktéž metodika navrhování ocelových konstrukcí podle mezních stav a postup p i klasifikaci pr ez . Cílem p edloženého textu je shrnout obecné znalosti o oceli jakožto stavebním materiálu a p ipravit výchozí pozici pro navrhování ocelových konstrukcí podle SN 73 1401 Navrhování ocelových konstrukcí. Výše uvedená problematika je pojata obecn , bez vazby na konkrétní typ stavební konstrukce u oceli. Aplikována bude tato problematika v dalších díl ích modulech této studijní opory „Prvky ocelových konstrukcí“ a v následných studijních oporách pro studijní programy s kombinovanou formou výuky zabývajících se návrhem a posouzením ocelových konstrukcí a to jak ve studiu bakalá ském, tak ve studiu magisterském.

47


6 6.1

Studijní prameny Seznam použité literatury

[1]

VO ÍŠEK, V., CHLADNÝ, E., MELCHER, J. Prvky kovových konstrukcí, Bratislava: Alfa, vydavatelství technické a ekonomické literatury, SNTL, 1984.

[2]

FERJEN ÍK, P., SCHUN, J., MELCHER, J., VO ÍŠEK, V., CHLADNÝ, E. Navrhovanie oce ových konštrukcií, 1. as . Bratislava: Alfa / SNTL, 1986.

[3]

FERJEN ÍK, P., LEDERER, F., SCHUN, J., MELCHER, J., VO ÍŠEK, V., CHLADNÝ, E. Navrhovanie oce ových konštrukcií, 2. as . Bratislava: Alfa / SNTL, 1986.

[4]

HRALA, F., Návod pro volbu jakosti oceli pro sva ované ocelové konstrukce pozemního a inženýrského stavitelství, Sborník ze seminá e „Ocelové konstrukce“, VUT Praha, 1998, s. 9-12.

[5]

BAJER, M., PILGR, M., VESELKA, M. Konstrukce a dopravní stavby, modul BO01 – MO, Studijní opora pro studijní programy s kombinovanou formou studia, Fakulta stavební VUT v Brn , 2004.

6.2

Seznam dopl kové studijní literatury

[6]

SN 73 1401 Navrhování ocelových konstrukcí. institut, ú innost od1998.

[7]

SN P ENV 1993-1-1 Navrhování ocelových konstrukcí. ást 1-1: Obecná pravidla a pravidla pro pozemní stavby. Praha: SNI, 1994.

[8]

SN 73 0035 Zatížení stavebních konstrukcí, schválená 19. 12. 1986, v etn Zm ny a) – 8/1991 a Zm ny 2) – 2/1994

48

eský normaliza ní

PRVKY KOVOVÝCH KONSTRUKCÍ

Recommend Documents