Polska wersja europejskiej normy projektowania konstrukcji stalowych PN-EN 1993-1-1:2006 Eurokod 3: Projektowanie konstrukcji stalowych. Część 1-1: reguły ogólne i reguły dla budynków [5] została ustanowiona w czerwcu 2006 r. Uzyska ona status normy obowiązującej od 01.03.2010 r. (wówczas wycofana zostanie aktualna norma PN-90/B-03200 Konstrukcje stalowe. Obliczenia statyczne i projektowanie [6]). Wymagania dotyczące materiałów podano w rozdziale 3 normy PN-EN 1993-1-1 [5]. W Eurokodzie 3 [5] zaleca się stosowanie większej liczby stali konstrukcyjnych niż w normie PN-90/B-03200 [6].

Stal produkowana współcześnie
Współczesne technologie wytwarzania obecnych gatunków stali według zmienionych europejskich norm hutniczych [2], [3], [4], sprawiają, iż nie ma bezpośredniego przejścia z dawnych (według [6]) gatunków stali na gatunki nowe (według [5]). Pod względem wytrzymałościowym odpowiednikiem stali St3 jest stal S235, a stali 18g2 – stal S355. Jednak pod względem jakości tych stali różnice są bardzo duże. Obecnie produkowane stale są jakościowo lepsze niż stale produkowane dawniej. Uzyskano to głównie dzięki zmianom technologii ich wytwarzania [1], [8]. zapewne miały na to też wpływ coraz ostrzejsze wymagania stawiane przez inwestorów budowlanych. Produkowane współcześnie stale są o większej jednorodności, tak pod względem budowy krystalicznej, jak i składu chemicznego (m.in. uzyskano skuteczniejszą eliminację niepożądanych zanieczyszczeń związkami siarki i fosforu). Na podkreślenie zasługuje fakt, iż w wyniku rozwoju inżynierii materiałowej i metalurgii, projektanci mają do dyspozycji nowe gatunki stali nie tylko o wyższej wytrzymałości, ale także spełniające szczególne wymagania (np. stale trudno rdzewiejące i nierdzewne, kwasoodporne, odporne na ścieranie, odporne na zmęczenie przy naprężeniach zmiennych cyklicznie, czy też charakteryzujące się wolniejszą degradacją właściwości w zmiennej temperaturze). Dzięki nowoczesnym procesom walcowania i obróbki cieplnej gotowych wyrobów uzyskuje się blachy i kształtowniki (rys. 1) o małych naprężeniach własnych walcowniczych oraz jednorodnej budowie krystalicznej. Te korzystne cechy wyrobów stalowych zapewniają (w różnym stopniu) technologie walcowania termomechanicznego w postaci regulowanego walcowania normalizującego (oznaczenie N) lub regulowanego walcowania z chłodzeniem natryskiem wodnym (oznaczenie M). Stal walcowana w gotowych wyrobach może być poddana obróbce w postaci ulepszenia cieplnego, które polega na sekwencyjnym hartowaniu i odpuszczaniu [1]. Oferowane są także dźwigary ażurowe (rys. 2) produkowane w sposób przemysłowy, z zastosowaniem odpowiednich technologii (na liniach automatycznego ciecia, prostowania i spawania). W podsumowaniu należy stwierdzić, że w wyniku ciągle poszerzanej oferty gatunków stali i asortymentów produktów istnieje możliwość doboru wyro bów stalowych z uwagi na zróżnicowane wymagania eksploatacyjne oraz kryteria ekonomiczne.

Wyroby kształtowane na zimno
Obniżenie ciężaru, kosztów wytwarzania i montażu konstrukcji stalowych uzyskuje się stosując m.in. kształtowniki cienkościenne np. wyroby kształtowane na zimno otrzymywane w wyniku zagięcia (profilowania) płaskiej blachy (taśmy, arkusza) w temperaturze otoczenia (rys. 3). Stąd nazywa się je często skrótowo: kształtowniki gięte (rys. 4). grubość ich ścianek jest jednakowa. Materiałem wyjściowym kształtowników jest taśma o grubości 1 < t < 6 mm (rys. 4a). W przypadku stalowych elementów osłonowych budynków (blach fałdowych – rys. 4b, kaset ściennych, płyt elewacyjnych) stosuje się blachy o grubości 0,5 < t < 1,5 mm. Ukształtowane w ten sposób wyroby stalowe (rys. 4) wykazują sztywność i nośność znacznie większą od taśmy wyjściowej.Stosowanie kształtowników profilowanych na zimno wymaga jednak odmiennego podejścia do projektowania, wytwarzania i montażu. Przedstawiono je w PN-EN 1993-1-3:2008 Eurokod 3: Projektowanie konstrukcji stalowych – Część 1-3: reguły ogólne – reguły uzupełniające dla konstrukcji z kształtowników i blach profilowanych na zimno. Tam też podano parametry wytrzymałościowe stali stosowanych na kształtowniki profilowane na zimno. gatunki stali tych wyrobów powinny być podatne na obróbkę plastyczną na zimno i ewentualne cynkowanie. Materiał wyjściowy powinien mieć wydłużalność co najmniej 15%. z wyjątkiem stali S460MC, S500MC i S550MC ten wymóg spełniają stale podane w PN-EN 1993-1-3:2008. Podczas formowania kształtownika giętego wykorzystuje się zdolność do przyjmowania trwałych odkształceń wyrobu. Jego trwałe odkształcenia plastyczne pozostają po usunięciu obciążenia profilującego (bez powstania rys i pęknięć). Podczas profilowania na zimno odkształceniu plastycznemu towarzyszą zamiany struktury materiału. Te zmiany powstające w okresie umocnienia nazywa się zgniotem. ich skutkiem jest wzrost parametrów wytrzymałościowych stali.

Stale nierdzewne
Tam, gdzie pozwala na to rachunek ekonomiczny odnoszony do dłuższego okresu eksploatacji obiektu, elementy elewacyjne budynków, a także konstrukcje inżynierskie są wykonywane ze stali trudno rdzewiejących. W PN-EN 1993-1-4:2007 Eurokod 3: Projektowanie konstrukcji stalowych – Część 1-4: reguły ogólne – reguły uzupełniające dla konstrukcji ze stali nierdzewnych podano charakterystyki wytrzymałościowe stali nierdzewnych.

Parametry do obliczeń
Parametry gatunków wyrobów stalowych zalecanych przez normę [5] są zawarte w 3 normach hutniczych [2], [3] i [4], przy czym norma [2] składa się z 6 części. Do obliczeń wytrzymałościowych jako wartości charakterystyczne zaleca się przyjmować wartości nominalne stali konstrukcyjnych podane w PN-EN 1993-1-1 [5] lub bezpośrednio z normy wyrobu: granicę plastyczności fy = reH, wytrzymałość na rozciąganie fu = rm. Nominalne wartości granicy plastyczności fy i wytrzymałości na rozciąganie fu stali konstrukcyjnych walcowanych na gorąco wg PN-EN 1993-1-1 [5] podano w tabl. 1. Według Eurokodu 3 [5] moduł sprężystości podłużnej stali należy przyjmować E = 210 000 N/mm2, moduł sprężystości porzecznej zaś g = 81 000 N/mm2 (a odpowiednio 205 000 N/mm2 i 80 000 N/mm2 – według [6]) przy takiej samej wartości współczynnika Poissona n = 0,3.

Oznakowanie stali
W europejskich normach hutniczych, (które od czerwca 2006 r. przyjęto również w Polsce) stosuje się oznaczanie gatunków stali m.in. za pomocą symboli literowo-cyfrowych. Taki sposób oznakowania stali zastosowano w PN-EN 1993-1-1 [5] (tabl. 1). Wskazuje on na zastosowanie oraz cechy mechaniczno-plastyczne stali. Jest to sposób najbardziej przydatny konstruktorowi. Schemat oznaczania stali według europejskich norm hutniczych przedstawiono na rys. 5. Na początku znakowania znajduje się duża litera alfabetu łacińskiego wskazująca na zastosowanie stali (S – stal konstrukcyjna, L – stal na rury przewodowe, B – stal na pręty zbrojeniowe, r – stal na szyny, Y – stal na sprężyny, P – stal na urządzenia chłodnicze). Drugi symbol główny – to trzycyfrowa liczba, określająca minimalną granicę plastyczności fy w MPa dla najmniejszego zakresu grubości wyrobu t £ 16 mm (z wyjątkiem stali stopowych ulepszonych cieplnie, dla których zakres ten wynosi t £ 50 mm). Spośród gatunków stali konstrukcyjnych ogólnego przeznaczenia (blachy, pręty, kształtowniki) produkowane są stale: S235, S275, S355, S420, S450, S460. Pierwszy symbol dodatkowy stali niestopowych to odmiana ich plastyczności. Jest ona wyrażana pracą łamania KV (uśrednioną) w żądanej temperaturze (gdyż cechy mechaniczne stali silnie zależą od temperatury). W symbolu odmiany plastyczności jest zakodowany poziom pracy łamania KV [J] próbek udarnościowych z karbem ostrym Charpy V, oraz temperatura badań udarności T [°C]. Oznaczenie odmian plastyczności stali według EN 10025:1993 podano na rys. 5 i w tabl. 2. Drugi symbol dodatkowy stali niestopowej ma postać g (gdzie n = 1, 2, 3 lub n 4). Jeśli n = 1 to oznacza, że jest to stal niestopowa; n = 2 to oznacza, że stal jest uspokojona. Jeśli n = 3, to oznacza, że stal jest dostarczana w stanie normalizowanym, a jeśli n = 4, to oznacza, że stan dostawy ustala wytwórca. Np. spośród gatunków stali niestopowych konstrukcyjnych S235 można stosować następujące: S235Jr, S235Jrg1, S235Jrg2, S235J0, S235J2g3, S235J2g4. Pierwszy symbol dodatkowy stali stopowej drobnoziarnistej składa się z litery określającej stan dostawy i może to być litera: • N – normalizowana lub walcowana normalizująco, • M – walcowana termomechanicznie, • Q – hartowana i odpuszczana, • A – utwardzana wydzieleniowo. Każda z tych obróbek ma na celu rozdrobnienie ziarna krystalicznego, a zastosowane mikrododatki Nb, V, Ti tworzą twarde węgliki zwiększające wytrzymałość [7].

Parametry wytrzymałościowe
Według PN-90/B-03200 [6] jako charakterystykę wytrzymałościową materiału przyjmuje się wytrzymałość obliczeniową stali f. Współczynnik materiałowy g nie występuje s w PN-90/B-03200 w sposób „jawny”, gdyż ustalając nośność korzysta się bezpośrednio z wytrzymałości obliczeniowej stali fd. W Eurokodzie 3 [5] w celu określenia nośności (przekroju, elementu) korzysta się z wartości granicy plastyczności stali fy lub wytrzymałości stali na rozciąganie fu (tabl. 1) którą w zależności analizowanego stanu wytężenia elementu (przekroju) dzieli się przez odpowiedni, „jawnie” występujący w obliczeniach, współczynnik materiałowy gMi. Parametry wytrzymałościowe stalowych wyrobów walcowanych zależą od grubości (t) ich ścianek (rys. 6). im grubszy jest wyrób hutniczy tym większa jest niejednorodność jego struktury w kierunku grubości, bowiem ze wzrostem grubości maleje stopień zgniotu ziaren w środku grubości wyrobu. Jest to spowodowane spadkiem naprężeń docisku w kierunku grubości, ponieważ siła nacisku walców rozkłada się tam na większą powierzchnię. W konsekwencji parametry wytrzymałościowe wyrobów o „grubych” ściankach są mniejsze niż wyrobów o „cienkich” ściankach. W Eurokodzie 3 [5] przyjęto 2 przedziały zmian granicy plastyczności i wytrzymałości na rozciąganie stali: t £ 40 mm oraz 40 mm t £ 80 mm (gdzie t – grubość ścianki wyrobu). W normie [6] np. dla stali St3 przyjęto 3 przedziały: t < 16 mm, 16 mm t < 40 mm oraz 40 mm t < 100 mm. Należy zwrócić uwagę, że współczesne technologie wytwarzania umożliwiają produkcję wyrobów stalowych jednorodnych wytrzymałościowo niezależnie od ich grubości (np. stal HiSTAr®).

Ciągliwość, spawalność i odporność na kruche pękanie
Według wymagań [5] stal stosowana na konstrukcje budowlane powinna być ciągliwa, spawalna i odporna kruche pękanie. Warunki ciągliwości stali należy określać za pomocą poniższych parametrów: • stosunek f /f specyfikowanej minimalnej wytrzymałości na rozciąganie fu do specyfikowanej minimalnej granicy plastyczności fy nie powinien być mniejszy od 1,10, • odkształcenie całkowite A przy zerwaniu próbki pięciokrotnej nie może być mniejsze od 15%, • odkształcenie równomierne bazy pomiarowej e odpowiadające wytrzymałości u na rozciąganie f, nie może być mniejsze u niż 15 odkształceń początkowych e = yf /E. y. Spełnienie wyżej wymienionych wymagań dotyczących stali konstrukcyjnych zapewnia potrzebną ciągliwość, która jest niezbędna do: • częściowego uplastycznienia przekroju w miejscach dużych spiętrzeń naprężeń (np. w wokół otworu na śruby), • wytworzenia zdolności do obrotu plastycznego zginanego przekroju klasy 1. Powyższe warunki spełniają w stale S235, S275, S355, S420 oraz S460 (gatunki stali wymienione w tabl. 1). Należy zaznaczyć, że kryteria ciągliwości stali według PN-EN 1993-1-1 [5] są zaostrzone w stosunku do wymagań PN-90/B-03200 [6]. Zgodnie z PN-EN 1993-1-1 [5] wymagane jest, by stal wykazywała wystarczającą udarność (której miarą jest praca łamania w dżulach [J]), aby uniknąć kruchego pękania elementów rozciąganych przy najniższej temperaturze eksploatacyjnej w projektowanym okresie użytkowania obiektu. zagadnienia te są przedmiotem PN-EN 1993-1-10:2007 Eurokod 3: Projektowanie konstrukcji stalowych. Część 1-10: Dobór stali ze względu na odporność na kruche pękanie i ciągliwość międzywarstwową. Jeśli warunki podane w tej normie są spełnione dla najniższej temperatury eksploatacyjnej, to żadne dodatkowe sprawdzenie na okoliczność kruchego pękania nie jest wymagane.

Nowy wymóg ciągliwość międzywarstwowa
Nowym (w stosunku do PN-90/B-03200 [6]) wymogiem w PN-EN 1993-1-1 [5] jest ciągliwość miedzywarstwowa z uwagi na pęknięcia laminarne (rys. 7). Ciągliwość międzywarstwowa jest to zdolność do odkształceń plastycznych na wskroś grubości materiału (np. w spawanych połączeniach belek ze słupami). Jeśli w konstrukcji występuje szczególny przypadek obciążenia złożonego, gdy ścianka elementu będzie obciążona w kierunku prostopadłym w złączu teowym, krzyżowym lub kątowym (np. pas dwuteowego słupa, do którego jest przyspawany wspornik pod belkę podsuwnicową – rys. 8), to materiał musi dodatkowo spełniać warunek ciągliwości międzywarstwowej. Należy ją obliczyć w zależności od spodziewanych sił skurczowych w kierunku grubości blachy, które mogą spowodować pęknięcie laminarne. Wytyczne obliczeń i doboru parametrów ciągliwości podano PN-EN 19931-10:2007 Eurokod 3: Projektowanie konstrukcji stalowych. Część 1-10: Dobór stali ze względu na odporność na kruche pękanie i ciągliwość międzywarstwową. Jeśli zgodnie z PN-EN 1993-1-1 [5] wymagana jest stal o ulepszonej ciągliwości międzywarstwowej, to wówczas należy stosować stal jakościową według PN-EN 101164:2005. Problematyka wymagań odnoszących się do środków złącznych (śrub, elektrod), a także obliczania połączeń śrubowych i połączeń spawanych oraz ocena nośności styków jest ujęta w PN-EN 1993-1-8:2006 Eurokod 3: Projektowanie konstrukcji stalowych. Część 1-8: Projektowanie węzłów. Przyjmowane w projektowaniu zarówno śruby, jak i materiały do spawania, powinny być zgodne z odpowiednią europejską normą wyrobu (EN) lub aprobatą techniczną (ETA). W projektowaniu konstrukcji w aspekcie jej trwałości należy brać pod uwagę następujące procesy deterioracji (pogorszenia się ich właściwości fizycznych): • korozję – wskutek oddziaływań (wpływów) środowiska, • zużycie części – wskutek oddziaływań mechanicznych, • zmęczenie materiału (rozwój mikropęknięć) – wskutek oddziaływań wysokocyklowych (N > 104 cykli). Nośność zmęczeniową konstrukcji sprawdza się według PN-EN-1993-1-9:2007 Eurokod 3: Projektowanie konstrukcji stalowych. Część 1-9: zmęczenie. Trwałość konstrukcji zapewnia się przez odpowiednie jej: zaprojektowanie i wykonanie (zabezpieczenie) oraz właściwe utrzymanie w projektowym okresie użytkowania.

Prof. dr hab. inż. Antoni Biegus
Politechnika Wrocławska

więcej na www.builder.pl

powrót

Liczba wyświetleń: 16721