KONSTRUKCJE METALOWE ZALETY KONSTRUKCJI METALOWYCH: 1)Wytwarzanie elementów i całych konstrukcji w wysoce wyspecjalizowanych zakładach 2)Obróbka elementów w specjalnie dostosowanych zakładach 3)Łatwość mechanizowania prac montażowych i uniezależnienia się (częściowego) 4)duży współczynnik lekkości konstrukcji stalowych jako stosunek γ/σ (ciężar/naprężenia)(dla stali waha się w granicach 2*10-6-5*10-6, dla żelbetu 2*10-5,dla drewna 6*10-5 ).Stopy aluminium (aluminium jest 3 x razy lżejsze) spadki wytrzymałości 4070% to stosunkowo duże γ/σ jednakże w stopach aluminiowych występują problemy z łączeniem (spawaniem). Umożliwia to: a) uzyskiwanie większych powierzchni użytkowych w budynkach, większych kubatur b) lżejsze elementy montażowe zapewniają bezpieczniejszy montaż , mniej(minimalne) uszkodzenia podczas transportu. c) mniejsze udźwigi środków transportu ,za i rozładunku i środków transportu d) wysokie naprężenia na rozciąganie równe naprężeniom na ściskanie i bardzo wysokie naprężenia na ścinanie w granicach 0,6 (0,58 dla stali). Beton jest doskonałym materiałem ale tylko do konstrukcji odpowiednio obciążonych. Obecnie produkujemy około 11 mln ton stali. Konstrukcje metalowe wykonuje się w trzech grupach: a) prętowe 80%-kraty układy ramowe, szkielety, ruszty b) blachy 15-20 % wykorzystujące wysoką wytrzymałość na rozciąganie jednakże pojawia się problem wyboczenia. np. zbiorniki , silosy c) konstrukcje wiszące –tylko rozciąganie przy dużej rozpiętości bez słupowej (przekrycia hal widowiskowych i przemysłowych ),mosty wiszące. Nie ma wyboczenia zwichrzenia czy utraty stateczności lokalnej. STAL STOP ŻELAZA Z WĘGLEM O ZAWARTOŚCI WĘGLA DO 2% surówka-półfabrykat do produkcji stali tzw. produkt wielkiego pieca Morfologia stali-nauka o budowie wew. czyli strukturze metali stopów .Istnieje ścisły związek między budową a własnościami metali ,wszystkie metale mają budowę krystaliczną.

Atomy i cząsteczki układają się w sposób uporządkowany tworząc przestrzenne siatki krystalograficzne .Metale mają na ogół płasko lub centrycznie ułożone atomy w przestrzennej siatce . (układ płasko centryczny)

(układ przestrzennie centryczny)

W temperaturze 898-1401 powstaje żelazo β. Metale zależnie od temperatury zmieniają swoje układy-położenia jąder w siatce czemu towarzyszy wydzielanie lub pobieranie ciepła. Metale jako ciała krystaliczne są ciałami anizotropowymi tzn. ich właściwości zależą od kierunku ich określania. W ciałach bezpostaciowych jak np. szkło właściwości nie zależą od kierunku-ciała izotropowe. Podczas krzepnięcia metale w metalu pojawiają się ośrodki krystalizacji i od nich w 3 przestrzennie przeciwnych kierunkach narastają z różnymi prędkościami gałęzie krystaliczne tworząc duże kryształy przypominające drzewo , dendryty. Liczba kryształów oraz ich wielkość zależą od szybkości chłodzenia –im większa tym więcej ośrodków krystalizacji więcej ziaren i więcej kryształów . Kryształy o regularnej budowie wew. i nieregularnych (z tytułu rozrostu kryształów bocznych) kształcie zew. nazywa się krystalitami lub ziarnami. Im większe!!!!!!!!!!! ziarna tym większe będą różnice poszczególnych cech określane w różnych kierunkach . Wielokryształowe ciała złożone z dowolnych ziaren o różnej orientacji nazywamy kwazitropowymi. PRZYPOMNIEC SOBIE WYKRES ŻELAZO WĘGIEL Technologia stali: a) surówka –produkt końcowy wielkiego pieca ,na ogół zawiera około 93% Fe i 7% innych pierwiastków stanowiących zasadniczo 2 grupy : • domieszki ,na ogół pożyteczne dla właściwości stali np.: C , Mn , Ni , Cu • zanieczyszczenia ,najgorsze to S i P Surówka zależnie od postaci w jakiej występuje w niej węgiel !!!!!!2,5-4,5 % rozróżniamy • •

b) c) d) e) f)

surówkę szarą –węgiel w postaci grafitu grafitu –stąd szary przełom surówkę białą –węgiel w postaci węglika żelaza –cementytu Fe3F o srebrzystym przełomie • surówkę mieszaną –pstra węgiel jako grafit i cementyt Złom stalowy Ruda żelaza –najlepiej bogata –magnetyt ,hemetyt Żelazo stopy –do regulacji utleniania (teraz się nie produkuje) Dodatki stopowe-mają uszlachetniać stal Paliwa-ropa naftowa paliwa płynne np. koks gaz....,energia elektryczna

W złączu spawanym różne warunki stygnięcia oraz skurcz wywołują zróżnicowane struktury oraz naprężenia spawalnicze. Zjawiska te określają różną spawalność stali. Podstawowym dla określenia spawalności parametrem jest tzw. równoważnik węgla Ce- jest to zapis uwzględniający wpływy różnych mikro składników stali na spawalność zarówno liczniki jak i mianowniki będą ulegały zmianom zależnie od konfiguracji (wzajemnego składu procentowego )różnych składników i wpływu tych zmian na procesy spawalnicze. Równoważnik węgla określa spawalność ,dobra-stale łatwo spawalne jeśli CE ≤ 0,38,spawalne z pewnymi ograniczeniami 0,380,42.

CE =C+( Ni + Cu )/15 + ( Cr + Mo )/12????+H/2 +inne (im więcej węgla tym stale trudniej spawalne) Ni-sprzyja spawaniu Cu- różnie działa Spawalność stali zależy też od grubości elementów która w zasadzie nie powinna przekraczać 40mm. CE

t Stal z pewnymi ograniczeniami : − ograniczenie szybkości spawania − ograniczenie mocy łuku − wstępne podgrzewanie krawędzi W przypadku takiej stali wszystkie te parametry muszą być określone Odchyłka 3 do 5 stopni Celsjusza - nie mniej ni więcej . Jakim prądem spawamy ?-stałym czy zmiennym. Stosowane są agregaty gdyż na budowie jest tylko prąd zmienny. Dla człowieka napięciem bezpieczny jest 24V

Imax=Izw Irobocze

U=24V (możemy do40)

I=0 bieg maszyny luzem

U=0 zwarcie

praca-spawanie

Natężenia zależą od użytych elektrod i są określone przez producenta .W przypadku braku danych można stosować robocze o wartości I=(15+6*d),gdzie d to średnica drutu elektrody. Dławienie prądu spawania powinno być takie by Izw / Irobocze =1,25÷2

???? Proces przeróbki surówki w stal polega przede wszystkim na wypaleniu (utlenianiu) różnych skał i usunięciu w ten sposób zanieczyszczeń. Rok 1850 – Bessemer – opatentował konwertor do wytapiania stali, zwany gruszką Bessemera. Zastosował kwaśną – krzemionkową – wykładzinę, która umożliwiała przerobienie surówek na stal tylko takich, które miały niską zawartość fosforu. Rok 1878 – Sir Thomas – wymyślił zamiast wkładki krzemionkowej wkładkę dolomitową, czyli zasadową. Umożliwiała ona przetwarzanie surówek w zasadzie bez ograniczeń, co do zawartości fosforu. Doprowadziło to do 10-cio krotnego zwiększenia produkcji stali. Rok 1864 – Siemens i Martin opatentowali piec martenowski z regeneracją ciepła (wówczas szczyt techniki), który umożliwiał pełne przetwarzanie złomu. Dziś ponad 95% produkcji to stal martenowska. X Proces przeróbczy surówki w stal polega w zasadzie na świeżeniu surówki w stal. Jest to zmiana składu, przede wszystkim redukują nadwyżki różnych pierwiastków, głównie węgla i zanieczyszczeń, tzn. siarki i fosforu. Proces świeżenia odbywa się po całkowitym roztopieniu wsadu. Proces świeżenia powinien być bardzo intensywny, kąpiel powinna się „gotować”, w wyniku wydzielania się CO, lub innych gazów. Obniża się w ten sposób zawartość C, S i P, oraz w miarę potrzeb innych pierwiastków. Szybkość świeżenia reguluje się dodatkami rudy, powinno się stale, systematycznie podnosić temperaturę. Po osiągnięciu właściwego składu następuje proces odtlenienia i wykończenie wytopu (dokładność 0,01 do 0,001). Kiedyś : sprężone powietrze; teraz : sprężony tlen. Proces odtleniania: polega zasadniczo na dodatku żelazomanganu lub surówki zwierciadlistej. Chcąc uzyskać stal uspokojoną jednorodną czyli wolną od FeO – stosuje się żelazo-krzem. Ostatecznie odtleniene odbywa się za pomocą glinu (sproszkowanego), (aluminium jest bardzo łapczywe na tlen, jest to reakcja bardzo gwałtowna i w sposób zdecydowany obniża poziom FeO w stali). Dodatek Al Stosuje się nawet w ostatniej fazie, dodając ją nawet do wlewków, gdzie będzie krzepła stal. Al służy nawet do regulacji wielkości ziarn stali (minimalne). Si oraz Al ze względu na ogromne powinowactwo do tlenu, reagują z rozpuszczonym w stali FeO. Powstające nowe tlenki są prawie całkowicie nierozpuszczalne w stali (śladowe ilości) i tworzą w niej zawiesinę. W zależności od stopnia odtleniena rozróżnia się stal: nieuspokojoną, półuspokojoną , uspokojoną). X Stal nieuspokojona – odtlenia się zazwyczaj tylko manganem. Obniża to zawartość FeO w stali, jednak nie na tyle aby zapobiec reakcji FeO + C ⇒ Fe + CO, która to zapoczątkowuje spadek rozpuszczalności FeO w płynnej stali w temperaturze krzepnięcia. Wydzielają się więc gazy, co powoduje „wrzenie” w wyniku wydzielania się CO. Wnętrze jego po zakrzepnięciu zawiera liczne pęcherze oraz charakterystyczną strefę segregacji w górnej części wlewka. Może zajść rozwarstwienie w wyniku słabszej wytrzymałości zgrzanych (sklejonych) pęcherzyków.

Wlewek z uwagi na siły rozprężne gazu nie wykazuje częściowego skurczu, więc jego wymiar jest taki, jak ścian wlewka (jest to półfabrykat do produkcji walcowniczej). Stal półuspokojona – przez dodatkowe odtlenienie za pomocą dodatku krzemu w ilości do 0,15%. Jest to silniejsze odtlenienie. Wlewek krzepnie spokojniej, jednak nie ma całkowitego zahamowania wyżej podanej reakcji. A zatem we wlewku będą uwięzione (ale w znacznie mniejszej ilości) pęcherzyki gazów, których rozprężalność będzie równoważyła siły skurczu. Stal uspokojona – przez odtlenienie krzemem w ilości 0,15-0,35% oraz dodatkiem glinu. Odtlenienie całkowite powoduje brak pęcherzyków gazów, a zatem nie ma kompensacji sił skurczu Do obróbki walcowniczej idzie stal z jamą usadową. ????????????? Następuje częściowa rekrystalizacja, czyli regeneracja siatki krystalograficznej zmienionej przez zgniot. Zatem wystąpi również zmniejszenie naprężeń częściowy nawrót do własności materiału przed zgniotem. Istotne zmiany strukturalne występują dopiero w temperaturze rekrystalizacji – w zgniecionym materiale zaczynają się tworzyć nowe ośrodki krystalizacji i wokół nich kosztem zgniecionych narastają nowe kryształy osiągające nieraz większe rozmiary niż przed zgniotem. Temperatura rekrystalizacji ≈ 0,4 temperatury topnienia. Zjawiska zachodzące poniżej temperatury rekrystalizacji nazywamy nawrotem a w temperaturze rekrystalizacji (600÷700 °C) rekrystalizacją. HARTOWANIE Polega na nagrzaniu stali do temperatury powyżej A3 (–>na wykresie żelazo-węgiel 900°C) dla stali podeutektoidalnych lub powyżej A1 (723°C) dla stali nadeutektoidalnych i wygrzaniu w niej dla otrzymania struktury austenitycznej w stalach podeutektoidalnych lub austenityczno-cementytowej w stalach nadeutektoidalnych i następnie szybkim wystudzeniu w oleju. Celem hartowania jest otrzymanie struktury martenzytycznej (blaszkowej – bardzo trwałej), zapewniającej stali dużą twardość i odporność na ścieranie oraz wyższą wytrzymałość. (Nie jest to droga do podwyższania wytrzymałości stali – to zjawisko zachodzi tu po prostu dodatkowo!). Hartowaniu należy poddawać jedynie stale o zawartości węgla powyżej 0,25%. ODPUSZCZANIE Jest to zabieg termiczny stosowany do elementów uprzednio zahartowanych. Służy on polepszeniu własności plastycznych (poprzez wycofanie się ze struktury martenzytycznej) i usunięciu naprężeń pohartowniczych. Temperatura odpuszczania 150÷650°C (zawsze poniżej A1 = 723°C). Zależnie od temperatury rozróżniamy odpuszczanie niskie, średnie i wysokie.

PRZESYCANIE Polega na nagrzaniu stali do temperatury, w której jeden lub kilka składników przechodzi do stanu stałego bez przemiany alotropowej, wygrzaniu w tej temperaturze i szybkim ostudzeniu. W stalach miękkich usuwa się w ten sposób cementyt trzeciorzędowy umieszczony na granicach ziaren ferrytu. Stal nagrzewa się do temperatury 600÷680°C a następnie studzi w oleju. Dzięki wygrzaniu cementyt rozpuszcza się w ferrycie i w wyniku nagłego ostudzenia nie może się z niego wydzielić. Powstaje przesycony ferryt. Stal jest teraz bardziej miękka i plastyczna. Jednak struktura ta jest stosunkowo nietrwała i łatwo daje się wytrącić z równowagi. X Wydzielanie się z roztworu przesyconego składników przesycających (np. cynk), pod postacią drobnej drugiej fazy nazywa się starzeniem. Rozróżnia się: - starzenie naturalne – przebiegające wolno w temperaturze otoczenia, natomiast podniesienie temp. O 200oC i więcej powoduje znaczne przyspieszenie procesu Przyczyna starzenia leży w zmiennej rozpuszczalności niektórych składników w ferycie – w zależności od temperatury. Podwyższenie temp. Do 200 – 3000C powoduje gwałtowne przyspieszenie starzenie. Przez wyższe podniesienie temperatury uzyskujemy tzw. Wyżarzanie starzejące. Ochrona przed starzeniem: - polega na zmniejszeniu ilości ciał o zmiennej rozpuszczalności - polega też na dodaniu pierwiastków , które łączą się chemicznie z tymi ciałami tworząc nowe związki bardziej rozpuszczalne, bądź nierozpuszczalne w ferycie, np. Mn, Si, Ti ( tytan), Al. Charakterystyczne własności mechaniczne 1. Wytrzymałość - bardzo zróżnicowana, określana za pomocą prób na rozciągania, dla każdej stali 5000 prób , na próbkach znormalizowanych. Są dwa rodzaje próbek. Próbka 5 – krotna lub 10 – krotna. Gdzie 5/10 to stosunek pomniejszonej bazy l do d. W próbie tej określamy granicę plastyczności oraz wydłużenie oraz odkształcenie. 2. Udarność – odporność stali na uderzenia lub nagłe zginanie 3. Spawalność – różna NIE MA STALI NIESPAWALNYCH, SĄ TYLKO RÓZNE EFEKTY 4. Twardość - odporność powierzchni na wgniatanie twardego przedmiotu – np. ostrosłupa diamentowego lub kulki ze stali szybkotnącej. Ściśle związana z wytrzymałością . Dla stali zwykłych, węglowych – wytrzymałość na rozciąganie Rm = 0,34 twardości wg. skali Brinella ( HB ). Dla stali wysokostopowych, chromoniklowych i innych wytrzymałość różni się o 0,02 w stosunku do twardości. Należy zwrócić uwagę by badać twardość w strefach , w których nie występuje żadne podkratowanie czy utwierdzenie powierzchniowe. X

Wykres rozciągania stali w skali wysoce skażonej (dla stali miękkich) tgα=E

kN cm 2

jest RH 1 – granica proporcjonalności Hooke`a – do tych naprężeń przyrost odkształceń liniowy (proporcjonalny do przyrostu naprężeń) 1 – 2 – jednostkowemu przyrostowi naprężeń będzie towarzyszył coraz to większy przyrost odkształceń (nieliniowy) RS 2 – naprężenia odpowiadają odkształceniu próbki 0,01% (w niektórych krajach 0,005%) – granica sprężystości Za granicą sprężystości wykres zakrzywia się, wzrasta przyrost odkształceń na jednostkowy przyrost naprężeń aż do osiągnięcia naprężeń po osiągnięciu, których próbka odkształca się bez wzrostu obciążenia. Następuje plastyczne płynięcie stali w wyniku plastycznego wydłużania. Re – granica plastyczności, początek plastycznego płynięcia Okres plastycznego płynięcia kończy się w 4, zatrzymuje się odkształcenie i dalsze odkształcenie zachodzi przy wzroście naprężeń – początek wzmocnienia (samo wzmocnienia). Wzrost naprężeń będzie powodował wzrost odkształceń o coraz większej intensywności – coraz bardziej krzywoliniowy. Okres wzmocnienia kończy się przewężeniem próbki, co doprowadza do zerwania. Rm – największa wytrzymałość odniesiona do początkowego przekroju próbki. Granica plastyczności – wyraźnie widoczne odkształcenie (0,13-0,17%) Koniec płynięcia – odkształcenia (1,5%) X Zerwanie dla stali miękkich przy odkształceniu (2,5%) Wykres w skali nieskażonej

σ

ε

Dla stali twardej określamy umowną granicę plastyczności jako naprężenie odpowiadające Re odpowiadające odkształceniu 0,2%. Zerwanie 16 - 18% (???) Stal twarda ni wykazuje półki plastycznej. Granica plastyczności – naprężenie, po osiągnięciu którego występuje plastyczne płynięcie – odkształcenie bez przyrostu naprężeń. Stanowi podstawy określenia wszelkich naprężeń obliczeniowych i dopuszczalnych UDARNOŚĆ Udarność – odpowiada za nagłe zginanie lub uderzenia. Bada się ją na próbkach 10 x 10 młotkiem Sharpiego.

10

10 55

karb jest ustawiony po stronie przeciwnej do uderzenia młota Udarność stali zależy od jej składu chemicznego, obróbek, przede wszystkim od temperatury (w temperaturach ujemnych obniża się). Wg. ISO określono 5 odmian plastyczności dla stali zwykłych węglowych określonych jako: - A – nie podlega badaniom - B – temperatura badania +200C - C - 00C - D - -200C - E- -500C określających udarność zależnie od zmiennych temperatur badania. Próbka musi wytrzymać pracę co najmniej 35J/cm2

Dla stali niskostopowych (18G2) określa się udarność podwyższając próg wytrzymałości do 50 J/cm2 – temperatury badania pozostają takie same i określamy te odmiany jako AA, BB,...,EE. Dla stali do zastosowań w niższych temperaturach niż 500C, czyli tzw. Stali kriogenicznych stosuje się dodatkowo odmiany plastyczne F(-800C), G(-1200C), H(-1600C) Dla zastosowań poniżej -1600C stosuje się stopy aluminium pracujące w temperaturach 2400C - -2500C. TWARDOŚĆ Twardość - odporność stali na wgniatanie twardego materiału (wgniatanie elementów diamentowych, węglikowych). Istnieje ścisły związek między twardością a wytrzymałością przy określaniu jej tzw. Metodą Brinella HB , wytrzymałość stali wynosi 0,36HB. Dla stali niskostopowych o wysokich wytrzymałościach Rm=0,34HB. KOROZJA I WYTRZYMAŁOŚĆ NA TEMPERATURY Odporność stali na wysokie temperatury. Przy temperaturze 5000C stal traci swą wytrzymałość do 50%. Początkowo w różnych stalach w temperaturach 200 - 3000C wytrzymałość stali wzrasta, by potem ulec nagłemu załamaniu i w temp. 5000C osiągnąć 50% wytrzymałości. Moduł sprężystości zmniejsza się w sposób prawie liniowy, zaś granica plastyczności ma bardzo podobny przebieg do wytrzymałośći. Wydłużalność stali do 2000C maleje, później rośnie i w temperaturze 7000C osiąga 70% (

∆l = 70% ) l

Zabezpieczenie polega na wykonaniu powłok ochronnych typu malarskiego, które w wyższych temperaturach ulegają spęcznieniu (tworzy się izolator), co wystarcza na 0,5h do 40min. Inne sposoby przy wyższej odporności ogniowej – stosuje się obmurowanie z cegły zwykłej, klinkierowej, szamotowej albo obetonowanie. Warstwa 3cm betonu (na siatce) daje odporność 1h, stosuje się też natryski z włóknem szklanym na bazie gipsu. Często na główne elementy nośne stosuje się właśnie powłoki betonowe lub po prostu słupy żelbetowe. Korozja –proces niszczenia stali. Obecnie najpowszechniej stosowane w ocenie korozji są 3 teorie: 1. Korozja w wyniku działania kwasu węglowego 2. Korozja w wyniku zmian elektrochemicznych 3. Korozja w wyniku zmian czysto chemicznych Najlepiej opisującą teorią zniszczenia atmosferycznego jest teoria zmian elektrochemicznych. Wg. niej niechroniona powierzchnia metalu czy stali składa się z nieograniczonej liczby ogniw galwanicznych. Cząsteczki Fe są anodami, a pozostałe jak zgorzelina, zendra, rdza, wysady węglikowej inne tworzą katody. Elektrolitem jest wilgoć atmosferyczna. Cząsteczki Fe rozpadają się w elektrolicie na kation Fe i 2 elektrony. Kationy – przyciągane są przez stal i szybko utworzyłyby warstwę ochronną, gdyby nie elektrony pochodzące z katody. Na jej powierzchni następuje rozpad drobin wody na 2(OH-) i 2H+. Kationy Fe łączą się z 2(OH-) i tworzą Fe(OH)2 w postaci jasnego nalotu na anodzie (1 postać rdzy). Tę chwilową równowagę na anodzie niszczą atomy tlenu rozpuszczonego w

elektrolicie powietrza. Łączą się one z wodorem tworząc OH-, które po połączeniu z Fe(OH)2 tworzą Fe(OH)3 już ciemną rdzę odstającą od podłoża. I tak koło się zamyka....... Rdza – mieszanina tlenków i wodorotlenków Korozji atmosferycznej podlega 90% konstrukcji. Ponadto wyróżnia się korozje: - wodną – zwłaszcza na styku woda – powietrze - ziemną - w wyniku działania prądów błądzących - chemiczna - naprężeniowa - międzykrystaliczna Ostatnie dwie nie dają objawów zewnętrznych X WALKA Z KOROZJĄ ATMOSFERYCZNĄ: MALOWANIE DWUPOWŁOKOWE Pierwsza powłoka składa się z 2-3 warstw podkładowych stanowiących właściwe zabezpieczenie przed korozją. Są to farby na bazie minii ołowianej lub cynkorów i cynianów. Są to farby pasywujące podłoże, które muszą się charakteryzować bardzo dużą przyczepnością do podłoża. Druga powłoka – farby nawierzchniowe(2-3 warstwy), najczęściej chlorokauczukowe i podobne; stanowią ochronę farb podkładowych przed uszkodzeniem mechanicznym i chemicznym. Malowanie powinno odbywać się w hermetycznie zamkniętym pomieszczeniu. Każda z warstw powinna być możliwie najcieńsza (30÷45 mikrometrów). Każda kolejna warstwa powinna być nakładana po całkowitym wyschnięciu poprzedniej (im grubsza warstwa tym większy skurcz – powstają pęknięcia). Każda z warstw powinna być w innym kolorze (podanym przez projektanta). Przed nałożeniem powłok ochronnych elementy muszą być dokładnie oczyszczone. Rozróżniamy trzy stopnie czystości: • Pierwszy (najwyższy st. czyst.) – uzyskiwany przez śrutowanie lub piaskowanie; powierzchnia metaliczna, srebrzysta; • Drugi – uzyskiwany przez nie do końca doprowadzone śrutowanie i piaskowanie w połączeniu z czyszczeniem ręcznym i opalaniem; powierzchnia może być matowa, szara a nawet brunatno-szara jednak bez rdzy, zgorzeliny i innych zanieczyszczeń. Dopuszcza się miejscowe występowanie szarych tlenków silnie przylegających do podłoża (max 10%, powierzchnia pojedynczej plamki nie większa niż 0,2 cm2 ); powierzchnia pociągnięta suchym pędzlem nie może pylić; • Trzeci – czyszczenie mechaniczno-ręczne; powierzchnia niejednolita, brunatnoszara, ale bez rdzy i zgorzeliny luźno przylegającej do podłoża. Dopuszczalne miejscowe plamy zgorzeliny silnie przylegającej. Konstrukcja po czyszczeniu powinna być natychmiast zagruntowana (nie później niż po 4 godz.)

METALIZACJA Głównie cynkiem i aluminium albo natrysk pyłem lub nakładanie powłok galwaniczne lub ogniowe. Metalizacja jest tańsza od malowania w dłuższym okresie. Jednorazowo tańsze jest malowanie. Powierzchnia ocynkowana nie może być spawana! POWŁOKI Z tworzyw sztucznych lub gum, nakładane termicznie lub chemicznie. Stosowane w bardzo agresywnych środowiskach. Czasem lepiej zastosować STAL ODPORNĄ NA KOROZJĘ, jednakże są one dużo droższe. Np.: Stale nierdzewne (tzw. „kwasówki”; około 40 rodzajów). Stale grupy COR-TEN (USA; u nas 10H) – te stale korodują nieco inaczej: powstaje bardzo szczelna warstwa tlenków silnie przylegająca do podłoża. Bardzo ważne jest, aby warstwa ta nie została uszkodzona, bo wtedy korozja posuwa się super szybko.

RODZAJE STALI STOSOWANEJ W BUDOWNICTWIE: •

Stale węglowe zwykłej jakości (St0) – na elementy niewymiarowane trzeciorzędne) i w obiektach tymczasowych • Stale węglowe wyższej jakości: St3S – stal uspokojona, St3SX – nieuspokojona, St3SY – półuspokojona, Stale miękkie budowlane: stale grupy St4 (St4W, St4V, St4VX, wykazują półkę plastyczną. • Stale niskostopowe o podwyższonych wytrzymałościach: 18G2, 18G2A, 18G2AV, 18G2VA, także stale grupy 15G, 15GA, 15GAV, 15G2VA - charakteryzują się pewnymi ograniczeniami związanymi z udarnością • Stale wieloskładnikowe: 13 HNMBCU, 14 HNMBCU – stale wysokich wytrzymałości (powyżej 2,5÷3,5 razy wytrzymalsze od zwykłych) • Stale specjalne grupy COR-TEN: 10H, 10HAV • Stale żaroodporne • Stale kwasoodporne • S. kriogeniczne wysokostopowe Ponadto stosujemy stale: St3M (o podwyższonej udarności – na mosty), St34N, St3N, St34GS, 60GS, Stal wysokowęglowa D90 (wytrzymałość do 240 kN/cm2 – wytrzymalsza od zwykłej; na struny do sprężania), Stal krzemowa 45S (stal wybitna!).

(drugo- i

St4VY) –

700 MPa;

10 razy

PRZEKROJE PRODUKOWANE PRZEZ HUTY •

Przekroje okrągłe – przekroje walcowane o średnicach 5,5÷150 mm, w długościach 3÷15 m (dopuszczalne odchyłki są określone w normie; nie ma odchyłek na minus); na sworznie, nity, śruby. • Płaskowniki – walcowanie jednokierunkowe (ścianki na końcach są lekko zaokrąglone), szerokości 20÷150 mm, grubości 6÷40 mm; walcowane w długościach do 9 m. Uniwersale (blachy uniwersalne) – przekroje o szerokościach 151÷700 mm. Walcowane w obu kierunkach, poprawionej strukturze, uwłóknionej budowie a zatem o podwyższonej wytrzymałości. Produkowane w długościach do 14 m. Stosowane na pasy ciężkich kratownic. • Kątowniki – równoramienne i nierównoramienne (produkowane w stosunkach długości boków 1:2 i 2:3). Szerokości półek od 15x15 do 200x200 mm. Każdy numer kątownika ma od 3 do 8 grubości. • Teowniki – wysokie (wysokość = szerokość) i niskie (wysokość = ½ szerokości). Są one składowym elementem konstrukcji, nie występują samodzielnie. • Dwuteowniki – normalne – pocienione (z cieńszymi środnikami) – ekonomiczne (zmienione pochylenie stopek i środnik jeszcze bardziej pocieniony) – PE (o równoległych stopkach) – HEB (szerokostopowe; wysokość = szerokość pasów; gdy wysokość większa niż 300mm wtedy szerokość pasów stała i równa 300mm) – HEA (pocienione, ze zmianą geometrii) • Ceowniki – produkowane w wysokościach do 330 mm, także jako pocienione i ekonomiczne • Zetowniki – dobrze przenoszą zginanie ukośne; bardzo dobre na belki wczepowe • Profile noskowe – blachy uniwersalne z dodatkowymi nawalcowaniami; stosowane na pasy blachownic • Blachy – cienkie (do 5 mm); walcowane na zimno lub na gorąco – grube (5÷100mm), walcowane jako gładkie lub żeberkowe(służą wtedy jako blachy pomostowe – nie ma poślizgu, bo nie są gładkie) ?????????????????? α ≈ 1 → przekroje najlepiej wyznaczone pod względem nośności. Stąd widać, że krata jest bardzo dobrym ustrojem statycznym (duży zapas nośności sprężysto – plastycznej) Chcemy by α była możliwie blisko 1 (**im więcej zapasu przy osi obojętnej – tym najrozsądniej rozłożona masa – ale najrozsądniejszym ułożeniem masy są 2 skupiska masy oddalone od siebie). Z uwagi na występujące zjawiska (np. pętla histerezy) przy kolejnych cyklach obciążenia sprężysto – plastycznych następuje pogorszenie się stabilizacji odkształceń trwałych oraz narastający wzrost ugięć. Stąd też zaleca się wymiarować element na moment odpowiadający średniemu wskaźnikowi wytrzymałości: w = (wspr + wpl)/2 (dla dwuteownika w = 1,5 –1,7)

Ugięcia – będą większe ( w granicach 0,15 –1,5) w miarę zwiększania wymiarów sztywności zginania EI- (współczynnik ten ingeruje w wymiary coraz bardziej, gdyż moment bezwładności podnoszony jest do potęgi 2-ej a sztywność do 4 – tej) Oblicza się je w fazie spręż. – plast. l

Przy ogólnym ugięciu w elemencie: y =

∫M

1

⋅dϕ

0

gdzie: M1 – moment jednostkowy od siły zaczepionej w pkt. obliczanego ugięcia i skierowany po kierunku ugięcia dϕ -elementarny kąt obrotu = Mdx/EI W fazie sprężysto – plastycznej ( uplastycznienie) EI zmienia się na (EI)’ zmiany te zależą od przebiegu momentów oraz od wysokości strefy uplastycznienia przekroju. Wyłączają się skrajne włókna , układ wiotczeje. Obecna metoda stanów granicznych opiera się w konstrukcjach metalowych na spełnieniu dwóch stanów granicznych : 1. S.G.Nośności obejmujący stan granicznie charakteryzujące się: - zerwaniem w najbardziej wytężonym przekroju - utratą stateczności części lub całości konstr. - Przekształceniem konstrukcji w układ geometrycznie zmienny - Zniszczeniem w skutek zmęczenia ( cykliczne obciążenie) - Nadmiernym odkształceniem spręzystym lub plastycznym - Przemieszczeniem lub pęknięciem(prowadzi to do zmiany kształtu geom). - Utratą równowagi , wywróceniem lub przesunięciem całosci lub cześci konstrukcji 2. S.G. Użytkowania: - Odkształcenia niedopuszczalne ze względu na normalne użytkowanie konstrukcji - Nadmierne przemieszczenie bez utraty zmian kształtu i geometrii - Nadmierne drgania - Nadmierne uszkodzenie w skutek nieodpowiedniego zabezpieczenia od korozji, ognia od wpływów atmosferycznych lub chemicznychoraz w skutek nieodpowiedniej konsekwencji

POŁĄCZENIA W KONSTRUKCJACH STALOWYCH Dzielimy na dwa typy : - rozbieralne – sworzniowe, śrubowe (zwykłe sprężone) - stałe – nitowe, spawane, zgrzewane, mieszane Sworzniowe – czyste przegubowe - już się nie stosuje

Rozkład naprężeń dociskowych z uwagi na luzy ( zginanie sworznia ). Stosuje się jedynie w przegubowych połączeniach w układach np. trójprzegubowych lub jako przeguby do montażu całego elementu Śrubowe – stosujemy gdy: - połączenie ma być wykonane na montażu - łącznik ma pracować na rozciąganie ( w połączeniach doczołowych) - gdy łączy się elementy wrażliwe na uderzenia - gdy nitowanie jest utrudnione ( ze względu na trudny dostęp i zagrożenie ogniowe) - łączący elementy ( metalizowane, cynkowane i aluminiowane) Stosujemy śruby w metrycznej skali Sellersa 6 lub 4 – krętne Surowa śruba składa się z : - sworznia z gwintem ( dł. 0,5;2/3;1/3 lub 1) - łba - nakrętki - podkładki ( gwint powinien znajdować się w obrębie podkładki) W połączeniach zakładkowych śruby nie mogą być nagwintowane na długości połączenia ( dopuszcza się wejście gwintu na głębokość nie większą niż 1,5 zwoju gwintu dla elementów łączonych). Podkładka – by wyprowadziła gwint poza obręb elementów łączonych ale też , zapewnia docisk, wysokość nakrętki większa niż łba. W konstrukcjach stosuje się : M – śruba metryczna M 10 – 30 ; powszechnie stosowana M > 30 ; sytuacje konieczne , lepiej stosować wielokrotności M10 (opisuje się)

M12

M16

M20

M24

M27

M30 (opisuje się)

W śrubach określa się średnicę (M10) dalej klasę śruby ( 5.8), długość śruby, zakleszczenia Klasy śrub: 3.6 4.6 4.8 5.6 5.8 6.6 6.8 8.8 10.9 12.9 2 Pierwsza cyfra - 1/10 wytrzymałości śruby w kN/cm Druga cyfra - 1/10 % udziału granicy plastyczności do granicy wytrzymałości Iloczyn dwóch cyfr – granica plastyczności stali śruby

dł.

Śruba zakładana na montażu Śruba zakładana na montażu i otwór wiercony na montażu X śruba z łbem sześciokątnym + nakrętka (nakrętka od strony widza, a z drugiej strony łeb) łeb z przodu, a z tyłu nakrętka śruba ciasno pasowana śruba czworokątna śruba czworokątna- łeb z przodu

Śruby wykonuje się jako: 1. śruby zgrubne - na ogół wytłaczane. Z uwagi na pewne tolerancje w owalności trzpienia śruby te wymagają większych luzów, stąd ich stosowanie jedynie w połączeniach tymczasowych i połączeniach nie podlegających obliczeniom. Z uwagi na większe luzy występuje w nich większe zróżnicowanie obciążeń, większe zginanie, znaczne zmniejszenie nośności zmęczeniowej (nawet do 2 i więcej raza). Śruby te produkuje się w średnicach od 8-52 mm. 2. śruby średnio dokładne - śruby z tolerancją wymiarową 1/10, a zatem stosowane do łącznia elementów konstrukcyjnych obciążonych statycznie i dynamicznie 3. śruby pasowane - są obrabiane przez obróbkę wiórową, prze wytaczenie; stosowane w połączeniach o dużym obciążeniu dynamicznym, przy odpowiednio małych luzach, najczęściej są to śruby ciasno pasowane. 4. śruby zbieżne – rzadziej stosowane otwór rozwierca się rozwiertakiem stożkowym, do uzyskania odpowiedniego pochylenia i średnicy; wkładamy śrubę i dokręcamy, poklepując śrubę np. młotkiem gumowym dla wielu pakietów blach: wkładamy śrubę, zakładamy nakrętki, ale większej nie dokręcamy – dobijamy młotkiem i dokręcamy, dociągając 5. śruby hakowe 6. śruby kotwowe – zakotwienie przez siły przyczepności śruby zakotwienia płytkowe zakotwienia specjalne typu młotkowego

7. wkręty do stali 8. śruby rzymskie (nakrętki rzymskie) – składają się z dwóch nakrętek, na jednej gwint lewy, na drugiej prawy; przy kręceniu w jedna stronę pręt się wydłuża, w drugą skraca; służą do wstępnego naciągu, do podwieszeń, do regulacji długości Połączenia śrubowe dzielą się na dwie grupy: 1. połączenia zakładkowe • tendencje do zginania, dla blach o małej grubości • obciążenie symetryczne, nie ma zginania • łącznik pracuje na docisk i ścinanie • docisk do elementów – przyjmujemy, ze na całej powierzchni docisku obciążenie jest liniowe, nieliniowości maleją im mniejsze luzy ( najmniejsze przy ciasno pasowanych

2. połączenia doczołowe • • • •

•

•

łączniki pracują przede wszystkim na rozciąganie, nie powinno się dopuszczać ścinania i docisku kategorie A i D w połączeniach na śruby zwykłe kategorie B, C, E, F – styki na śruby sprężające (styki sprężone), śruby wysokich wytrzymałości W przypadku obciążeń dynamicznych i zmiennych wielokrotnie stosuje się połączenia sprężone (na śruby sprężone), na śruby pasowane lub ewentualnie połączenia nitowe. Długość trzpienia łącznika w części zakleszczenia (czyli w obrębie łączonych elementów) musi być mniejsza niż 5d dla połączeń śrubowych nitowanych oraz 8d dla połączeń sprężonych. W wyjątkowych przypadkach można dopuścić zwiększenie długości odcinka docisku części zakleszczonej nita do 8t, a nawet 10t pod warunkiem zastosowania specjalnych technologii zaklepywania

Średnice otworów: 1. dla śrub średnio dokładnych, przy średnicach 8 < d < 14 ⇒ ∆ = 1 mm 16 < d < 24 ⇒ ∆ = 2 mm 27 < d < 45 ⇒ ∆ = 3 mm ??????????????? X Sk-ew. siła rozciągająca łącznik µ-wsp.tarcia (0,1-0,6) αs-wsp. zmniejszający, uwzględniający rodzaj otworów w połączeniach =1 dla otworów pasowanych i średnio dokładnych =0,85 dla otworów okrągłych powiększonych, owalnych krótkich =0,7 otwory owalne długie Łącznik powinien pracować 1-osiowo,w przypadku występowania łączeń 2-osiowych nośność łącznika trzeba sprawdzić na siłę SRt i SRv (St/SRt)2+(Sv/SRv)2 ≤1 Nośność nitów na ścinanie i docisk jak dla śrub albo doświadczalnie przyjmując do obliczeń 80% nośności charakterystycznej. Dopuszczalna nośność nita na rozciąganie SRt=0.3 Rm*A przy czym nit nie powinien pracować wyłącznie na rozciąganie (stosować wówczas śruby). W przypadku występowania obciążenia złożonego należy bezwzględnie sprawdzać jego nośność jak wyżej dla śrub. Połączenia nitowane Są najlepiej pod względem inż. pracującymi połączeniami(na rozciąganie) Przy dużych obciążeniach dynamicznych pracują lepiej niż zwykłe połączenia śrubowe, jednak wykazują również, choć w mniejszym zakresie skłonność do wyrobienia łączników i opalizacji otworów. Technologia : nit surowy składa się z łba i trzpienia zakończonego na długości 1,5d, stożkowo dla wygodniejszego i lepszego ułożenia go w łączonym elemencie. Rozróżnia się łby: kuliste, stożkowe płaskie, stożkowe wypukłe. Nity specjalne o kulistych

łbach powiększonych, tzw. szczelnomocne –dla łączenia elem. przy zachowaniu najw. szczelności połączenia. Nit musi mieć odpowiednią długość trzpienia, aby właściwie wykonać połączenie i uformować odpowiednią zakuwkę. Dla zakuwki kulistej zwykłej dł. Trzpienia nita wynosi l=1,12∑t+1,5d Nity zaklepywanie na gorąco-otwory wiercone dla blach o grubości do 8 mm można najpierw przebić średnicą mniejszą i rozwierać do średnicy wymaganej. Nit rozgrzewa się do temperatury 950-1050oC (jasnoczerwony stan), wkłada do otworów i zaklepuje pneumatycznie lub hydraulicznie( rzadko ręcznie), stosuje się niciarki( z nasadkami do zaklepywania łba i zakuwki) Nit wykazuje na początku zaklepywania spęcznienie w obrębie łączonych elem. a później następuje dalsze zaklepywanie . Spęcznienie nita celem dokładnego wypełnienia otworów ma podstawowe znaczenie dla jakości i wytrzymałości połączenia. Dopiero po zakończeniu spęczania powinno nastąpić formowanie zakuwki. Całość zakończona powyżej 500oC, zatem w temp. wyższej od tej, w której stal traci swoje właściwości kujne na gorąco(dow. formowania plastyczne na gorąco, co powoduje zmiany strukturalne). Nit stygnie kurcząc się i wywołuje siły docisku w łączonych elementach. W nicie występują znaczne naprężenia rozciągające(0,5-0,9)Re, a nawet do granicy plastycznej Re. X Ze względu na skurcz i możliwość dokładnego uzupełnienia łączonych otworów, długość trzpienia nita w obrębie tworzonych elementów nie powinna być dłuższa niż 5d: l < 5d W sytuacjach wyjątkowych można zakładać nity o długości zakleszczenia większej niż 5 d, stosując jednak specjalne technologie zaklepywania.: a) stosując dwuetapowe nagrzewanie trzpienia nita (nit podgrzany do temperatury ~ 1000oC, schładza się w części przeznaczonej na zakuwkę od 100 d0 150oC i zaklepuje. Przy zaklepywaniu część wystająca schłodzona ma mniejszą podatność plastyczną, co powoduje, że swobodniej deformuje się (odkształca się) część przeznaczona do zakleszczenia nita (przeznaczona do spęcznienia). Po zakończeniu spęcznienia następuje formowanie zakuwki b) stosując dwustopniowe nasadki na zakuwce. W I fazie zaklepywania (spęcznienia) stosuje się nasadkę tulejową nie pozwalającą na formowanie zakuwki. Po zakończeniu spęcznienia zmienia się nasadkę na dostosowaną do kształtu łba (zmienia się nasadkę i zaklepuje się zakuwkę) c) za pomocą specjalnych tulejowych okręgów. Można w ten sposób zaklepywać nity o długości zakleszczenia do 8 mm a nawet do 10 d Średnica nita surowego o 1 mm mniejsza od średnicy obliczeniowej (średnicy otworów – czyli o 1 mm otwory większe) Średnice obliczeniowe nitów: 11, 14, 17, 20, 23, 26, 29

1 Niedopuszczalne wady – 4 z kilkunastu: . nit luźny (sprawdzane przez opukiwanie młotkiem) 2. częściowe przyleganie łba nita ( musi całkowicie przylegać) 3. pęknięcie łba nita (promieniowe) 4. niecałkowite wypełnienie otworów (złe spęcznienie) – zakuwka jest większa, gdyż cały materiał nie wszedł tam gdzie powinien Trzeba wówczas wyciąć nit i wykonać na nowo! Nit powinien pracować wyłącznie w połączeniach zakładkowych. Praca dwuetapowa: 1 etap – praca elementów dociskanych (przez tarcie praca), brak przemieszczeń. Dopiero później – deformacje w wyniku docisku. Nie powinno się stosować nitów, w których naprężenia będą tylko rozciągające. Dopuszcza się dodatkowe rozciąganie nitów o wartości 0,3 Rm ‚ A, przy czym nit nie powinien pracować wyłącznie na rozciąganie !!! Nośność na docisk i ścinanie – jak dla śrub. Ustalać doświadczalnie, przyjmując do obliczeń 0,8 nośności charakterystycznej. Są to połączenia bardzo inżynierskie, bardzo dobrze pracujące, wadą jest ich nierozbieralność i to że, trzeba je bardzo dokładnie wykonać (kłopotliwe połączenie) POŁĄCZENIA NA ŚRUBY SPRĘŻONE Kategoria D, E, F - doczołowe D – zwykłe lub sprężone E, F – sprężone

Stosowane sprężenie Siła w sumie będzie stała do momentu, gdy odpór = obciążeniu zewnętrznemu Połączenie doczołowe sprężone nie ma więc większej nośności niż nośność śruby. Zastosowanie śrub wyższej nośności – powoduje zwiększenie nośności. Stosowanie połączeń sprężonych zapobiega zmęczeniu materiału. Połączenie sprężone stosujemy w przypadku (do)czołowego połączenia. Doczołowe sprężone tylko w elementach obciążonych dynamicznie, obciążeniach – zwykłe śruby.

w

zwykłych

Zakładkowe – dla statycznych i dynamicznych 1. Złącza pracują na docisk dużych powierzchni, a zatem siły przenoszone są przez tarcie, co eliminuje występowanie zniszczenia łączników i owalizacji otworów (przy połączeniach obciążonych dynamicznie 2. Z uwagi jw. na docisk dużych powierzchni (tarcie), występuje znaczne złagodzenie koncentracji naprężeń. 3. W wielu przypadkach można nie uwzględniać osłabienia, gdyż jest ono tutaj znacznie mniejsze 4. Nie ma potrzeby kontroli i ewentualnej wymiany śrub lub nitów z biegiem czasu eksploatacji 5. Rozbieralność konstrukcji Śruby sprężające w zasadzie nie różnią się wyglądem od śrub zwykłych

Podkładki – zawsze 2 – pod łeb i pod nakrętkę – rozłożenie docisku na większą powierzchnię

Należy pamiętać od odpowiednim dokręceniu. Siłę sprężającą w śrubie określa się na 0,7Rm ‚ As (As – przekrój obliczeniowy). Aby powstała taka siła w śrubie (S0 – siła sprężająca), to dla śrub z gwintem ostrokątnym, metrycznym, należy śrubę sprężyć - dokręcić momentem sprężającym o wartości 0,18‚S0‚d (d – średnica śruby) W śrubie powstaje złożony stan naprężenia, gdyż poza rozciąganiem występuje skręcanie, a więc i ścinanie od skręcania τ =

m sk , Wk

msk = moment skręcający, Wk =

Πdm 3 = wsk.wytrz. na skręcanie 16

Celem zwiększenia nośności połączeń zakładkowych na śruby sprężające stosuje się specjalnie przygotowane powierzchnie, tak aby zwiększyć współczynnik tarcia, np.: - przez śrutowanie i piaskowanie powierzchni – zwiększamy współczynnik tarcia z normalnego 0,2 na 0,4 a nawet 0,45 (z możliwością zwiększenia o 0,05 przy kontroli jakości powierzchni przed montażem) - powłoki z różnych farb - 0,4 - 0,5 nawet powłoki cynkowe 0,3 - 0,5 (w zależności od sposobu nałożenia, 0,3 – ogniowe nałożenie) opalanie płomieniem acetylenowym - 0,35 – 0,4

Za gruba powłoka galwaniczna np.: cynkowa to spadek wsp. tarcia nawet o 0,1 W zwykłych połączeniach śrubowych zakładkowych też można zwiększyć nośność ! - stosowanie lepszych śrub - zastosowane połączenie mieszane np.: klejowe – na ściskanie Głównie kleje żywicowe, chemoutwardzalne, wymagające odpowiedniej temperatury i sił docisku. Są też kleje najlepiej pracujące w temperaturze otoczenia, które będą bardzo dobrze pracowały ze względu na duży docisk. Połączenia sprężone wymagają odpowiedniej wiedzy technicznej i kultury technicznej. Połączenie śrub musi być precyzyjne, prowadzone stopniowo. W połączeniach doczołowych wymagana jest szczególnie dokł. (płaskość) dociskanych elementów. Nie może występować szczelina w łączonych elementach)szczelinomierz o gr. 0,2 mm nie może wejść głębiej niż 10 mm). Co oznacza, że w znakomitej większości przypadków blachy czołowe styków doczołowych będą wymagały obróbki wiórowej dla zlikwidowania deformacji kształtu, w tym również wygięć pospawalniczych. X Połączenia doczołowe-sprężone: wykorzystywane wyłącznie dla obciążeń dynamicznych z uwagi na stałe wytężenie śrub i brak zmęczenia łączników , wymagają znacznie większej dokładności wykonania ; powierzchnie płaskie-niejednokrotnie frezowane (wada: cena i przedłużenie czasu wykonania ). Do śrub sprężonych stosujemy śruby klasy –min : 8.8 (preferowane 10.9 , 12.9) W styku doczołowym płaskość powierzchni musi zapewniać to , że szczelinomierz o gr. 0.2 mm nie może wejść głębiej niż 10 mm.

Połączenie sprężone obliczamy według PN jedynie dla: M20; M24. Połączenie doczołowe nie może być połączeniem, w którym element jest wygięty (wówczas element jest dociągnięty śrubą sprężającą). ŚRUBY NALEŻY DOKRĘCAĆ STOPNIOWO Połączenia sprężone-zakładkowe: szczególnie w połączeniach mieszanych, można bowiem zwiększyć nośność takiego połączenia nawet dwukrotnie (i więcej): wyjątkowo korzystne w połączeniach mieszanych są połączenia klejowo-śrubowe, w przypadku stosowalności śrub zwykłych – mają one za zadanie przenieść wszystkie obciążenia prostopadłe do płaszczyzny klejenia . Połączenia te projektujemy tak, aby KLEJ przenosił wyłącznie naprężenia ścinające =duża nośność na ŚCINANIE oraz mała na rozciąganie ( różnica ponad 10-krotna), a ŚRUBA – jedynie naprężenia rozciągające. Większość klejów wymaga dla efektywnej pracy (odpowiedniego związania i oczekiwanej wytrzymałości ) : pewnej siły docisku (co zapewniają śruby ) oraz określonej temperatury polimeryzacji. W przypadku stosowania śrub sprężających - dodajemy do kleju opiłki korundowe (duże siły docisku powodują wgniatanie cząstek twardych w elementy, tym samym podniesienie nośności na ścięcie płaszczyzn łączonych) . Projektowanie: przeciwwskazania dla kombinacji połączeń sztywnych (m.in. nitowane sprężone-zakładkowe, klejowe, spawane, na śruby pasowane ) z podatnymi (na śruby zwykłe) . Z połączeń wykonywanych w miejscu eksploatacji wybieramy ŚRUBOWE, ponieważ na montażu spoiny obniżamy jej nośność o 10%. Połączenie śrubowe stosujemy wówczas, gdy elementy są cynkowane (metalizowane). W praktyce dążymy aby połączenie posiadało największą nośność i nie stanowiło słabego punktu konstrukcji. Sposoby rozmieszczenia śrub dla n=6

(najlepiej) WYMIAROWANIE, OBLICZANIE POŁĄCZEŃ ŚRUBOWYCH: (1) wszystkie łączniki biorą jednakowy udział w przenoszeniu obciążenia, (2) centryczne rozmieszczenie względem osi pręta, (3) pomijamy szczyty naprężeń w sąsiedztwie przekroju Q otworów

(4) przekroje rozciągane : jako przekroje netto (średni, bez szczytów naprężeń). Z uwagi na niespełnienie (1) warunku: ogranicza się ilość łączników po kierunku działania obciążenia do 6-u ; rozstaw skrajnych łączników < 15d ( w przeciwnym razie musimy zapewnić redukcję nośności połączenia za pomocą współczynnika zmniejszającego η =1-[(l-15d)/200d] gdy l-odległość między skrajnymi łącznikami

M0 = P*a+H*b # działanie P: obciążenie dla każdej ze śrub P’=P/n # H’=H/n # działanie M: w przypadku niespełnienia warunku (1) równoważymy moment M0 dla zablokowania obrotu # najbardziej obciążony łącznik- największa wypadkowa od poszczególnych obciążeń (P,H,M) CEL: OBCIĄŻENIE PRZENOSIMY DO ŚRODKA CIĘŻKOŚCI UKŁADU ELEMENTÓW ŁĄCZONYCH Zatem :

M

M 1⋅ r1 + M 2⋅ r2 + M 3⋅ r3 + .... + M n ⋅ rn

N1 : N 2 : N3 : N n = r 1 : r 2 : r 3 : r n N2 M

N1

r2 r3 N1⋅ N3 N1⋅ r1 r1 N1 N1 2 2 2 ⋅  r1 + r2 + r3   r ⋅ r1  1 M ⋅ r1

∑ (ri) i

2

N2

∑ (ri)

2

i

M ⋅ r2

∑ (ri) i

2

N3

M ⋅ r3

∑ (ri) i

2

Zatem :

M

M 1⋅ r1 + M 2⋅ r2 + M 3⋅ r3 + .... + M n ⋅ rn

N1 : N 2 : N3 : N n = r 1 : r 2 : r 3 : r n N2 M

N1

r2 r3 N1⋅ N3 N1⋅ r1 r1 N1 N1 2 2 2 ⋅  r1 + r2 + r3   r ⋅ r1  1 M ⋅ r1

∑ (ri)

2

i

N2

∑ (ri)

2

i

M ⋅ r2

∑ (ri) i

2

N3

M ⋅ r3

∑ (ri)

2

i

POŁĄCZENIA SPAWANE Spawanie jest to proces stałego łączenia metalu za pomocą łuku. Wiąże się to z występowaniem wysokich temperatur. Występuje w związku z tym szereg zmian w materiale oraz promieniowanie szkodliwe dla spawacza: twarde γ i miękkie α. W związku z tym ściśle określone są rygory BHP. Promieniowanie α – bardzo szkodliwie działające na całą skórę → nawet nowotwory. Najlepszą ochroną są rękawice i fartuch ze skóry. Spawanie jest to proces trwałego łączenia metali. Zasadniczo wykonujemy spawanie jako spawanie łukowe lub gazowe. Pewnymi procesami pokrewnymi jest zgrzewanie i lutowanie. Spawanie łukowe wykorzystuje wysoką temperaturę łuku elektrycznego, a spawanie gazowe – najczęściej za pomocą acetylenu. Do wykonawstwa konstrukcji stalowych stosuje się wyłącznie spawanie łukowe. Spawanie to dzieli się na 2 podgrupy: 1) spawanie elektroda topliwą; rozróżnia się tu: a) spawanie elektrodą otuloną b) spawanie łukiem krytym c) spawanie w osłonie gazów ochronnych 2) spawanie elektrodą nietopliwą a) spawanie elektrodą węglową lub wolframową b) spawanie atomowe c) spawanie w osłonie gazów ochronnych Spoina – część złącza składająca się z metalu stopionego podczas procesu spawania. Może być wynikiem stopienia wyłącznie materiału elementów łączonych lub (w znakomitej większości) z materiału elementów łączonych jak i z materiału dodatkowego zwanego stopiwem. Może to być materiał doprowadzony w postaci topliwej elektrody (drutu) lub przy spawaniu elektrodą nietopliwą doprowadzony z zewnątrz w postaci drutu spawalniczego (różnych rodzajów).

Podczas spawania metal w mniejszym lub większym zakresie przechodzi przez fazę ciekłą. Wykazuje on w niej większe powinowactwo z gazami powietrza, które mogą z nim reagować lub rozpuszczać się w nim. Oba te zjawiska w znaczny sposób pogarszają właściwości połączeń. Zaradzamy temu przez stosowanie odpowiedniej technologii spawania. NIE MA STALI NIESPAWALNEJ! SĄ STALE TRUDNOSPAWALNE Krzepnięcie spoiny z uwagi na małą objętość jeziorka roztopionego metalu przebiega bardzo szybko. Wpływa to w sposób istotny na strukturę tej części materiału rodzimego (poza spoiną), w której pod wpływem ciepła spawania będą zachodziły różne zmiany strukturalne.

1529

1480

Przebieg na pewno jest nieliniowy

1100 860 700 500 200 0

1

1

2

2

3

3

4

4

5

5

6

6

Temperatura łuku: na biegunach 6000°C; w środku 3000°C Długość łuku: 3-5mm Czyste żelazo topi się w temperaturze 1529°C 1480 – 1100 strefa przegrzania = 2 1100 – 860 strefa normalizacji zupełnej = 3 860 – 700 strefa normalizacji częściowej lub niezupełnej = 4 500 – 700 strefa rekrystalizacji = 5 200 – 500 strefa kruchości na niebiesko = 6 W strefie 1 występuje częściowo roztopiony metal pomieszany ze stopiwem W strefie 2 przegrzanie – struktura gruboziarnista o ziarnach wielokrotnie większych od wielkości pierwotnej, przechodząca w stan Widmanstättena. Charakteryzuje się znacznym spadkiem udarności. Strefa 3÷4 – struktura drobnoziarnista. Własności mechaniczne na ogół lepsze niż przed procesem spawania.

Strefa 5 – Korzystna. Ziarna zniekształcone podczas obróbki plastycznej ulegają odbudowie i odwracają efekt zgniotu. Strefa 6 – obszar ten nie wykazuje poważniejszych zmian struktury. Występuje nawet wzrost wytrzymałości, ale spadek wydłużalności i udarności.

W stalach nieuspokojonych jest to strefa intensywnego starzenia się materiału, co pogarsza zdecydowanie udarność i wywołuje kruche pęknięcia. Dlatego też w przypadku stosowania połączeń spawanych w elementach silnie obciążonych, głównie dynamicznie, a nawet quasi-dynamicznie nie należy stosować stali nieuspokojonych, a stale półuspokojone tylko w pewnym zakresie. Przy dużym dynamizmie tylko stale uspokojone!!! Zasięg poszczególnych stref jest zmienny w znacznych granicach i zależy głównie od metody i parametrów spawania. Najmniejszą strefę wpływu wykazują złącza wykonywane automatycznie łukiem krytym, natomiast najszersze strefy wpływu występują przy spawaniu gazowym – stąd wykluczenie tego spawania dla łączenia konstrukcji stalowych! BUDOWA SPOINY jest zwykle dendrytowa (ziarna ułożone kierunkowo, a w osi symetrii spoiny występuje strefa koncentracji zanieczyszczeń, co wiąże się z obniżeniem wytrzymałości spoin). Ma to szczególne znacznie w spoinach wysokich (grubych). Układanie tych spoin powinno być wielowarstwowe, bowiem układanie każdej kolejnej warstwy powoduje całkowite lub przynajmniej częściowe normalizowanie warstw uprzednio nałożonych. Spawanie to zwęża również strefy wpływu ciepła i wpływa dodatnio na odcinek przegrzania. W wyniku tego uzyskujemy złącze i większej udarności i wydłużalności – ze znaczną poprawą cech plastycznych.

-

W czasie spawania na płynny metal działają: otaczająca atmosfera gazy z otulin elektrod składniki materiału rodzimego składniki żużlotwórcze

Zasadniczo zachodzi utlenianie metali i redukcja tlenków. Różne składniki otulin elektrod mają m.in. za zadanie wytworzenie atmosfery ochronnej odcinającej dostęp gazów atmosferycznych. niektóre z nich, silniej powinowate do tlenu tworzą z nim tlenki i przechodzą do żużla, są to tzw. odtleniacze np. węgiel (C), tytan (Ti), Mangan (Mn), Krzem (Si). Wolny tlen powoduje wydzielając się na granicach ziarn i łącząc w O2 zmniejszenie wytrzymałości spoiny. Wolny wodór (H) łącząc się w drobiny H2 powoduje kruchość wodorową, czyli mikropęknięcia. Jego ilość w stopiwie ogranicza się przez suszenie elektrod i czyszczenie krawędzi łączonych elementów z wszelkich zanieczyszczeń organicznych. Siarka tworzy w spoinie siarczek żelaza, który ma kilkukrotnie większą objętość od materiałów wyjściowych i wydzielając się na granicach ziarn powoduje podobnie jak H2 mikropęknięcia. Stąd ograniczenie do technicznego minimum zawartości siarki w drucie elektrodowym lub drucie spawalniczym.