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

Sylabus přednášek 11. Úvod, Ú d historie hi t i ocelových l ý h kkonstrukcí, t k í použití, žití významné ý é stavby, t b výroba ý b ocelili 2. Vlastnosti oceli, zkoušky materiálu, značení oceli 3. Výroba konstrukcí 4. Spolehlivost konstrukcí, mezní stavy, normy pro navrhování, tah 5. Tlak, vzpěrný tlak y hospodárný p ý návrh 6. Klasifikace pprůřezů, ohyb, 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 12. 13. Mosty, názvosloví, lávky 14. Ochrana proti korozi a požáru

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 632

1

Obsah přednášky ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ

2

Výhody ocelových konstrukcí

Opakování Vlastnosti oceli Zkoušky oceli Značení oceli Výrobky z oceli Shrnutí

ƒ ƒ ƒ ƒ

ƒ Aktualita – River City Praha, Düsseldorfer Stadtor

Nejkvalitnější běžné stavivo – tažnost Malá hmotnost Příprava Výstavba Rychlost výstavby Výroba Návratnost OK

ƒ Koroze ƒ Požární odolnost (tepelná vodivost) ƒ Cena 3

Užití oceli

4

Vliv uhlíku ƒ Slitina železa krystalizuje ve dvou modifikacích ƒ γ rozpouští uhlík, α nikoli ƒ tavenina železa chladne a γ železo se mění na železo α

ƒ Evropa

ƒ ČR ƒ 30 % vývoz j ƒ 55 % strojírenství ƒ 15 % stavebnictví ƒ 10 % výztuž ƒ 5 % ocelové konstrukce

ƒ Litina 2,1% 2 1% uhlíku

ƒ ƒ ƒ 8 % stavebnictví ƒ 3 % výztuž ý tu ƒ 5 % ocelové konstrukce

γ

α 5

6

Obsah přednášky ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ

Vlastnosti oceli ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ

Opakování Vlastnosti oceli Zkoušky oceli Značení oceli Výrobky z oceli Shrnutí

ƒ Aktualita – River City Praha, Düsseldorfer Stadtor

7

Obsah přednášky ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ

E = 210 000 MPa G = 81 000 MPa ν = 0,3 ρ = 7 850 kg/m3 α = 0,000012 degg-1

8

Zkoušky oceli

Opakování Vlastnosti oceli Zkoušky oceli Značení oceli Výrobky z oceli Shrnutí

ƒ Aktualita – River City Praha, Düsseldorfer Stadtor

Modul pružnosti (Youngův) Modul pružnosti ve smyku Součinitel příčné roztažnosti Objemová hmotnost Součinitel délkové roztažnosti

ƒ Tahová ƒ Rázem v ohybu ƒ Tvrdosti ƒ Na únavu ƒ Svařitelnosti

9

Tahová zkouška

10

Tahová zkouška - Mez kluzu fy - Mez pevnosti fu - Tažnost δ =ΔL L0

ƒ Vzorek ƒ Kruhový ƒ Plochýý

ƒ Krátká tyč y ƒ Měrná délka L0 = 5 d0 11

12

Pracovní diagram

Zkouška rázem v ohybu ƒ Smluvní mez kluzu f02 ƒ ε = 0,002 , = 0,2 , %

ƒ Tažnost oceli min.15 % (běžně 40%)

ƒ Zkušební Zk š b í tělí tělísko k (h (hranoll 10 × 10 × 55 mm)) ƒ Vrub (zářez) ƒ normového tvaru ƒ na tažené straně tělíska

13

Přeražení nárazem Charpyho kladiva

14

Přechodová teplota

ƒ Měří se nárazová á á práce á k přeražení ř ž í vzorku k ƒ Vrubová houževnatost ƒ (vrub KCU nebo KCV) ƒ nárazová práce vztažená k průřezové ploše v nejslabším místě tělíska

ƒ Houževnatost oceli klesá s teplotou ƒ Přechodová teplota ƒ vrubová houževnatost výrazně klesne vyhovuje

dolní Křehký lom

horní Houževnatý lom

15

Zkoušky tvrdosti

Zkoušky na únavu

Známou silou se vtlačí normové zkušební tělísko (indentor) do vyleštěného povrchu materiálu Měří se otisk/hloubka

ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ

16

Brinellova, kalená ocelová kulička (HB) ( ) Rockwellova,, diamantovýý kužel nebo ocelová kulička (HR) Vickersova, diamantový čtyřboký jehlan (HV) Koopova, diamantový protáhlý jehlan (HK)

ƒ Odolnost oceli vůči opakovanému namáhání N = 1 (cyklus) Rozkmit napětí

Porušení po N cyklech T, čas

Vztah mezi tvrdostí a pevností oceli fu = 3,6 3 6 HM [MPa] ƒ

Přibližně pro pevnost v [MPa] ze Brinnelovi zkoušky

17

18

Wöhlerova křivka

Zkoušky svařitelnosti

ƒ Mez únavy ƒ je odvislá zejména od úpravy zkušební tyče

ƒ Zkoušky svarového kovu – tahová zkouška ƒ Zkoušky svařitelnosti

ƒ Časová pevnost (asi 3 000 000 cyklů) Δσ =σ max −σ min

Rozkmit napětí

log Δσ

ƒ Zkouškou rázem v ohybu ƒ Se svarem vyšší spotřebovaná práce než bez svaru

ƒ Návarovou zkouškou ohybem ƒ Uhlíkový ekvivalent (na chromatografu)

Časová pevnost Mez únavy N počet cyklů do porušení N,

log N 19

Obsah přednášky ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ

Značení ocelí příklad : S235J2G3 S G ƒ J - min. nárazovou práci 27 J

Opakování Vlastnosti oceli Zkoušky oceli Značení oceli Výrobky z oceli Shrnutí

ƒ Aktualita – River City Praha, Düsseldorf Stadtor

20

ƒ K - min. nárazovou práci 40 J (na vzorku k s vrubem b V) ƒ R - pokojová k j á tteplota l t 20 °C ƒ 0 - značí 0 °C ƒ 2 - značí teplotu -20 20 °C

21

Oceli vyšších pevností

ƒ ƒ ƒ ƒ

G1 G2 G3 G4

ocel neuklidněná ocel uklidněná ocel uklidněná, normalizačně žíhaná ocel uklidněná, normalizačně žíhaná, s prvky vázající dusík

22

Evropské značení ocelí ČSN EN 10 025+A1 ƒ S235 ƒ S275 ƒ S355

př. ř S460NK ƒ N - ocel normalizačně žíhaná nebo normalizačně válcovaná ƒ M - ocel termomechanicky válcovaná ƒ L - ocel do nízkých teplot

mez kluzu kl 235 MP MPa v budoucnu b d asii jjediná di á kkonstr. t ocell

ƒ S420 ƒ S460

Vysokopevnostní oceli - dnes nad 420 MPa ƒ Mohou být hůře svařitelné ƒ Cena jen o 15% vyšší (ale 460/355 = 1,3)

______________________________________________ V k Vysokopevnostní t í ocelili ƒ S690 (vysokopevnostní oceli) ƒ S960 ( (vysokopevnostní k t í oceli) li)

ƒ Mez kluzu fy závisí na tloušťce (viz tabulky) a směru namáhání

23

24

Druhy oceli

Legované oceli

ƒ Uhlíkové Uhlík é

ƒ Patinující oceli (weather resist)

ƒ s obsahem uhlíku okolo 0,2 % a ƒ obsahem ostatních příměsí do 1 %

ƒ Legované mědí p vrstva rzi zabraňuje j dalšímu korodován ƒ Kompaktní ƒ Atmofix česká patinující ocel

ƒ Nízkolegované ƒ s obsahem uhlíku okolo 0,2 % a ƒ manganu do 1,5 15%

ƒ Nerezové oceli

ƒ Legované

ƒ Austenitické ƒ Legované chrómem a niklem

ƒ s obsahem uhlíku do 0,2 % a ƒ legur 3 % a více 25

Obsah přednášky ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ

Výrobky z oceli

Opakování Vlastnosti oceli Zkoušky oceli Značení oceli Výrobky z oceli Shrnutí

ƒ Aktualita – River City Praha, Dusseldorfer Stadtor

26

ƒ ƒ ƒ ƒ

Válcování za tepla Tvarování za studena Odlévání Kování

27

Výrobky z oceli

28

Válcování za tepla ƒ Rovnoběžné R běž é osy válců ál ů

ƒ Válcování za tepla ƒ Tvarování za studena ƒ Odlévání ƒ Kování

ƒ Mimoběžné osy válců

29

ƒ kosé válcování g trnem ƒ pproděravět ingot ƒ výroba bezešvých trubek

30

Válcování na automatu Rath (140 x 140 až 300 x 300mm)

Výroba bezešvých trubek

ƒ Karuselová pec

ƒ Kosé válcování

ƒ Hladicí stroj

ƒ Dohřívací pec

31

ƒ Válcování na spojité trati

ƒ Kalibrovací stroj

32

Výrobky z oceli ƒ ƒ ƒ ƒ

ƒ Výrobní délky 6 – 14 m ƒ Mechanické vlastnosti materiálu

Válcování za tepla Tvarování za studena Odlévání Kování

ƒ Lepší ve směru válcování ƒ Pásnice plnostěnných nosníků ƒ Plechy - válcovány střídavě oběma směry

33

Tvarování za studena ƒ ƒ

ƒ ƒ ƒ ƒ

prizmatické pruty

Tažením ƒ

ƒ

Výrobky z oceli

Válcováním za studena (profilováním) ƒ

uzavřené průřezy

Li á í Lisováním ƒ

34

Válcování za tepla Tvarování za studena Odlévání Kování

malá množství značněji členěných průřezů

35

36

Odlitky styčníků

Odlévání

Použití: Po žití • Komplikované uzly • Silnostěnné roury • Vysoká zatížení

ƒ Složité tvary ƒ Formy z formovací hmoty (písek a hlína) ƒ Použití ƒ Klouby y, ložiska atp. p ƒ Úložné elementy,

ƒ Ocel pro odlévání jiné složení než ocel pro válcování ƒ Odlitky O lze někdy nahradit svařenci 37

38

Výrobky z oceli

Letiště Stuttgart

ƒ ƒ ƒ ƒ

Válcování za tepla Tvarování za studena Odlévání Kování

39

40

Kování

Hutní materiál

ƒ Tváření materiálu za tepla

ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ

ƒ na kovadle ((volné kování)) nebo ƒ v zápustce (zápustkové kování)

41

Předvalky Tyče y (p (profily) y) Dráty Plechy Široká ocel Pásy Trubkyy Tenkostěnné profily 42

Předvalky

Tyče

ƒ Bloky Blok

ƒ Tyče T če jednod jednoduchého chého průře průřezu

ƒ čtvercové s mírně vydutými hranami ƒ obdélníkové s mírně vydutými hranami ƒ Bramy: obdélníkové s mírně vydutými hranami

ƒ tyče kruhové, čtvercové, ploché, šestihranné, osmihranné, ttříhranné, a é, pů půlkruhové, u o é, úsečové úsečo é a speciální spec á

ƒ Tyče tvarového průřezu ƒ tyče průřezu L (rovnoramenného a nerovnoramenného), ƒ I, U, H, T, tyče korýtkového průřezu a štětovnice

ƒ Sochory (cágle) ƒ čtvercové se zaoblenými hranami ƒ obdélníkové se zaoblenými ý hranami ƒ kruhové ƒ Ploštiny: obdélníkové s vypuklými bočními hranami

ƒ Tyče pro výztuž do betonu ƒ tyče kruhové, žebírkové, tyče zkrucované za studena

ƒ Kolejnice ƒ železniční, ž l ič í žlábk žlábkové, é jjeřábové řáb é

ƒ Duté předvalky

ƒ Tyče tažené za studena

ƒ čtvercové ƒ kruhové k h é

ƒ kruhové kruhové, čtvercové, čtvercové ploché, ploché šestihranné, šestihranné tříhranné, tříhranné půlkruhové, úsečové a speciální 43

44

Průřezy tvaru I

Úhelníky ƒ Rovnoramenné ƒ Nerovnoramenné ƒ Největší rovnoramenný úhelník 200 × 20 mm

ƒ Obyčejné průřezy ƒ šikmé příruby se sklonem 14 až 17 %

ƒ Průřezy s paralelními přírubami ƒ zvláštních válcovacích stolicích se čtyřmi

.

ƒ Širokopřírubové průřezy HEB ƒ na centricky tlačené sloupy, v ČR Č omezeně p Evropě p ƒ HEA, HEM, HEAA v západní 45

ƒ Průřezy v USA a UK v imperiálních jednotkách

Dráty

Plechy

ƒ Od průměru 5,5 mm válcovány za tepla

ƒ Dodávají se

46

ƒ V tabulích nebo ƒ Ve svitcích (tenké plechy)

ƒ Kruhové,, čtvercové,, šestihranné,, ppůlkruhové a profilové (např. průřezu Z)

ƒ Dělení podle způsobu výroby

ƒ Tažené dráty menších průměrů ƒ Součásti lan ƒ Patentovány, což je kalení a následné popouštění ve speciálních lázních ƒ Mez kluzu přes 1000 MPa (až 1800 MPa)

ƒ Válcované za tepla a ƒ Válcované za studena

ƒ Dělení podle tloušťky ƒ Tenké (do 3 mm) ƒ Tlusté (3 mm a více) ƒ 5, 5 6, 6 8, 8 10, 10 12, 12 15, 15 18, 18 20, 20 22, 22 25, 25 28, 28 30 30, 35 35, 40 40, 50 mm

47

48

Trubky

Trubky

ƒ Bezešvé

ƒ Bezešvé

ƒ za tepla t l kkosým ý válcováním ál á í

ƒ za tepla t l kkosým ý válcováním ál á í

ƒ Svařované

ƒ Svařované

ƒ zakroužením pásu do tzv. štěrbinové trubky a svařením elektrickým obloukem, odporem nebo induktivně ƒ šroubovicovým svarem velkých průměrů (cca 1500 mm), ƒ ze dvou výlisků nebo ohnutých polotovarů (ještě větší trubky)

ƒ Kruhové ƒ Čtyřhranné

ƒ zakroužením pásu do tzv. štěrbinové trubky a svařením elektrickým obloukem, odporem nebo induktivně ƒ šroubovicovým svarem velkých průměrů (cca 1500 mm), ƒ ze dvou výlisků nebo ohnutých polotovarů (ještě větší trubky)

49

Tolerance za tepla válcovaného materiálu

ƒ Kruhové ƒ Čtyřhranné

50

Obsah přednášky

ƒ Rozměrové tolerance ƒ Průřezové tolerance ƒ Délkové tolerance

ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ

ƒ Hmotnostní tolerance ƒ Tvarová tolerance ƒ Nerovnoběžnost přírub I nosníku, nevyplněný průřez, klínovitost apod.

ƒ Vady V d materiálu t iál ƒ stav povrchu ƒ trhliny trhliny, staženiny staženiny, bubliny bubliny, póry, póry zaválcované okuje okuje, poškrábání poškrábání, potlučení a korozní vady

Opakování Vlastnosti oceli Zkoušky oceli Značení oceli Výrobky z oceli Shrnutí

ƒ vady uvnitř výrobku, jako jsou ƒ vměstky, ě tk vycezeniny, i zdvojení d j í materiálu t iál

ƒ Omezení normami

Hlavní přednosti konstrukční oceli Napětí, MPa

σ 300

ƒ Aktualita – River City Praha, Düsseldorfer Stadtor

51

52

Vlastnosti oceli

355

ƒ ƒ

Modul pružnosti (Youngův) Objemová hmotnost

ρ = 7 850 kg/m3

E = 210 000 MPa

ƒ ƒ ƒ

Mez kluzu Mez pevnosti Mez úměrnosti

fy = 235 až 355 MPa fu = 360 až 510 MPa f02 náhrada fy

ƒ

Tažnost

δ = min. 15 %

235

200

0,03

100

E = 2,06 *E5

Poměrné protažení

0 0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

ε

ƒ Tažnost až 40% ƒ Vysoký V ký modul d l pružnosti ž ti 2,1*E5 2 1*E5 MP MPa 53

54

Zkoušky oceli

Charpyho kladivo

ƒ Tahová zkouška ƒ fy, fu, δ

ƒ Rázová zkouška v ohybu ƒ Vrubová houževnatost – nárazová práce 55

Značení oceli ƒ S235J2

56

Výrobky z oceli ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ

(mez kluzu 235 MPa, KVC > 27 J při -20°C)

ƒ S275, S275 S355, S355 S420, S420 S460

Předvalky Tyče (profily) Dráty Plechy Široká ocel Pásy Trubky Tenkostěnné profily

57

Obsah přednášky ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ

Sylabus přednášek 11. Úvod, Ú d historie hi t i ocelových l ý h kkonstrukcí, t k í použití, žití významné ý é stavby, t b výroba ý b ocelili 2. Vlastnosti oceli, zkoušky materiálu, značení oceli 3. Výroba konstrukcí 4. Spolehlivost konstrukcí, mezní stavy, normy pro navrhování, tah 5. Tlak, vzpěrný tlak y hospodárný p ý návrh 6. Klasifikace pprůřezů, ohyb, 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 12. 13. Mosty, názvosloví, lávky 14. Ochrana proti korozi a požáru

Opakování Vlastnosti oceli Zkoušky oceli Značení oceli Výrobky z oceli Shrnutí

ƒ Aktualita – River City Praha, Düsseldorfer Stadtor

58

59

60

Děkuji za pozornost

61