Konstrukcją metalową nazywa się obiekt budowlany, w którym głównymi ustrojami nośnymi przekazującymi obciążenia na fundament lub konstrukcję wsporczą są proste wyroby lub ich zespoły ze stali lub aluminium.
Wyszczególnić można trzy podstawowe ustroje nośne: szkielety prętowe, szkielety prętowo-cięgniowe, ustroje powierzchniowe.
Szkielety prętowe mają zastosowanie: 1) w budynkach przemysłowych parterowych(halach), jedno lub wielonawowe, ramy pełnościenne, kratowe lub mieszane, w których rygle ram mogą być kratowe a słupy pełnościenne;
2) w budynkach wysokich (wieżowcach) jako ramy wielokondygnacyjne i wielotraktowe;
3) w budynkach użyteczności publicznej o dużych rozpiętościach jako układy kratownicowe ram;
4) w pokryciach dachowych budowli podpartych na ścianach nośnych murowanych lub żelbetowych jako ustroje kratownicowe; 5) w obiektach przemysłowych specjalnego przeznaczenia: składy mat. sypkich, galeriach transportowych jako ustroje ramowe i kratownicowe. 6) w estakadach podsuwnicowych magazynów towarowych i estakadach podpierających rurociągi jako ustroje ramowe; 7) w wieżach kratownicowych i masztach.
Szkielety prętowo- cięgniowe stosuje się w przekrojach o dużych rozpiętościach, mostach wiszących i konstrukcjach wstępnie sprężonych
Ustroje nośne powierzchniowe stosuje się w obiektach powłokowych zbudowanych z blach stalowych, np. zbiorniki na ciecze i gaz, chłodniach kominowych niskiej wysokości, kominach niskich średniej wysokości, zasobnikach, silosach, rurociągach.
Główne ustroje nośne metalowe mogą być stosowane w budynkach przy równoczesnym wykorzystaniu elem. innego tworzywa konstrukcyjnego, np. pokrycie dachu z płyt żelbetowych, wypełnienie stropów płytą żelbetową lub ceglaną, ściany zewnętrzne murowane samonośne.
Stal jest stopem żelaza o zawartości do 2% węgla i innych pierwiastków. Stal stosowana na konstrukcje budowlane zawiera znacznie mniej (0,2 - 0,3 %) węgla. Produkcję stali przeprowadza się w procesie dwustopniowym. Materiałem wyjściowym do produkcji stali jest surówka, którą otrzymuje się w procesie wielkopiecowym z przetopionych rud żelaza. W drugiej fazie produkcji w wyniku utleniania otrzymuje się stal o wymaganym składzie.
Surówka oprócz żelaza zawiera do 7% innych domieszek oraz 2,5 + 4,5% węgla. Surówka nie ma dobrych własności plastycznych, nie można jej kuć, walcować. Przetopiona surówka z dodatkiem złomu nazywa się żeliwem, a odtleniona nazywa się stalą. Materiały wyjściowe do produkcji surówki to tzw. wsady. Do wsadów należą rudy żelaza, koks, topniki. Rudy to minerały, z których otrzymuje się żelazo.
Stal otrzymuje się przez utlenienie surówki stalowniczej w konwertorach Bessemera, Thomasa, względnie piecach elektrycznych, np.: Siemensa-Martina. Proces ten nazywa się również świeżeniem. Konwertor o nośności 300 kN (rys.1.3) składa się z powłoki stalowej w formie gruszki, wyłożonej masą ogniotrwała. Konwertor jednorazowo może zmieścić masę surówki do 40 t. Najpopularniejszym urządzeniem metalurgicznym, służącym do wytapiania stali, był do niedawna piec martenowski.
Przeróbka surówki polega na usunięciu nadmiaru węgla oraz zmniejszeniu zawartości innych domieszek naturalnych, jak np.: krzemu, siarki, fosforu, manganu. Uzyskuje się to przez użycie powietrza lub środków silnie utleniających (np. tlenu), działających bezpośrednio na płynną surówkę. Wypalony w procesie świeżenia węgiel wypływa wraz z pozostałymi zbędnymi domieszkami na powierzchnię metalu, tworząc żużel.
Stal płynną, otrzymaną jednym z opisanych sposobów, wylewa się z pieców do dużych kadzi, a z tych dopiero do wlewnic, dużych form, w których krzepnie w postaci wlewków dogodnych do dalszej przeróbki plastycznej. Najszlachetniejsze gatunki stali są produkowane w piecach elektrycznych.
Żeliwo otrzymuje się przez przetopienie surówki odlewniczej ze złomem żeliwnym, a w pewnych przypadkach ze złomem stalowym.
Stale konstrukcyjne Ze względu na duże zróżnicowanie wymagań w zakresie składu chemicznego stali, wymagań wytrzymałościowych, istnieją różne kryteria podziału wytwarzanych stali, a mianowicie ze względu na:
1) sposób wytwarzania: bessemerowskie, thomasowskie, tyglowe;
2) stopień i sposób odtlenienia: uspokojone, półuspokojone, nieuspokojone;
3) skład chemiczny: stale węglowe, stale stopowe;
4) jakość: wyższa i niższa, w zależności od stopnia zanieczyszczenia;
5) strukturę: ferryt, austenit, ledeburyt, bainit, cementyt;
6) obróbkę cieplną: stale do nawęglania, do ulepszania cieplnego, do hartowania;
7) zastosowanie: stale konstrukcyjne, narzędziowe, specjalne.
Do stali niskowęglowych zalicza się te stale, których głównym składnikiem oprócz żelaza jest węgiel o zawartości do 2,0%. Pozostałe składniki, takie jak krzem, mangan, fosfor, siarka, nie powinny przekraczać zawartości odpowiedniej dla danego gatunku stali. Fosfor i siarka są składnikami powodującymi kruchość stali. W budownictwie stosuje się stale węglowe konstrukcyjne: StOS, St3SX, St3SY, St3S. Stale niskowęglowe dostarcza się jako nieuspokojone StOS, półuspokojone i uspokojone. Stale niskowęglowe gatunków St3, St4 są dostarczane w trzech odmianach S, V, W o jednakowych własnościach wytrzymałościowych (do danego gatunku), lecz o odpowiednio coraz wyższej jakości. Do stali stopowych zalicza się te stale, które oprócz żelaza i węgla zawierają inne składniki dodane w celu uzyskania potrzebnych własności. Do najczęściej stosowanych składników należą: mangan, krzem, nikiel, chrom, wolfram, molibden, wanad, kobalt.
W zależności od składników stale stopowe dzielą się na:
• niskostopowe, zawierające 2,5% składników stopowych;
• średniostopowe, zawierające 2,5 -s- 5% składników stopowych;
• wysokostopowe, zawierające powyżej 5% składników stopowych.
Stale o podwyższonej wytrzymałości zawierają około 1,5% manganu. Stalą znormalizowaną (po wyżarzeniu) tego typu jest stal 18G2A. Dodatek manganu powoduje wzrost granicy plastyczności. Dodawana na końcu cechy litera A oznacza stal o wyższej jakości i ograniczonej zawartości siarki, fosforu i miedzi.
Stale o podwyższonej odporności na korozję, to stale z dodatkiem miedzi, np. stale St3SCu, 18G2ACu, a przede wszystkim tzw. stale trudnordzewiejące
Litery na końcu znaku stali oznaczają jej przeznaczenie lub dodatkowe cechy, np.: S - stal spawalna, X - stal nieuspokojoną Y - stal półuspokojoną Cu - z dodatkiem miedzi, V - z dodatkiem wanadu.
Znak stali niskostopowej składa się z cyfr i liter. Pierwsza liczba oznacza, w przybliżeniu, średnią zawartość węgla w setnych procentach, litery określają pierwiastki stopowe, liczba po literze oznacza procentową maksymalną zawartość pierwiastka stopowego.
Własności stali budowlanych
Podstawowe stałe materiałowe dla wszystkich gatunków stali, niezależnie od struktury wewnętrznej i składu chemicznego, są następujące:
1) masa objętościowa γ = 7850 kg/m3 ;
2) moduł sprężystości podłużnej E = 205 GPa;
3) moduł sprężystości poprzecznej G = 80 GPa;
4) współczynnik Poissona v = 0,30 ;
5)współczynnik rozszerzalności cieplnej liniowej e = 0,000012 1/0C;
6) współczynnik tarcia kinetycznego w łożyskach podporowych: [PN-90/B-03200]
a) przy ślizganiu płaskich powierzchni ut = 0,2 ,
b) przy ślizganiu powierzchni krzywej po płaskiej Ut = 0,1 + 0,2 ,
c) przy toczeniu ut = 0,03.
Własności mechaniczne stali określają ich zdolność do przeciwstawienia się działaniu różnych obciążeń. Do charakterystycznych własności mechanicznych należy zaliczyć: wytrzymałość, udarność, twardość, kujność, spawalność, ścieralność. Własności mechaniczne poszczególnych gatunków stali są dość zróżnicowane. Informacje o własnościach wytrzymałościowych i plastycznych uzyskuje się ze statycznej próby rozciągania stali. Na rys. 1.5a przedstawiono charakterystykę statycznej próby rozciągania stali niskowęglowej, a na rys. 1.5b - stali niskostopowej.
b)
Rys.1.5. Charakterystyka własności mechanicznych stali a) niestopowej, b) niskostopowej.
Rodzaje łączników
Łączniki służą do łączenia prostych elementów konstrukcyjnych, tj. kształtowników, płaskowników, blach itp., w elementy złożone (wysyłkowe) do podzespołów i zespołów, z których następnie powstają budowle o konstrukcji metalowej. W budownictwie metalowym stosuje się siedem następujących rodzajów łączników: nity, śruby zwykłe i pasowane oraz sworznie, śruby sprężające, spoiny, zgrzeiny, kleje, kołki.
Najbardziej rozpowszechnione jest łączenie za pomocą spawania a w elementach cienkościennych za pomocą zgrzewania. Nitowanie stosuje się obecnie rzadziej, głównie w połączeniach wykonywanych na budowie i w konstrukcjach z grubych elementów, obciążonych dynamicznie, np. mostach. Łączenie śrubami, ze względu na łatwość wykonania tych połączeń, stosuje się do różnych konstrukcji, w szczególności do konstrukcji rozbieralnych. Śruby stosuje się również do połączeń tymczasowych, na czas montażu konstrukcji, do chwili zastąpienia ich przez spoiny lub nity oraz czasami w konstrukcjach nitowych w miejscach trudno dostępnych, gdzie wykonanie łba nita jest niemożliwe. Sworznie stosuje się najczęściej w połączeniach przegubowych belek walcowanych.
Nity
Nit surowy składa się z łba i trzonu (rys.1.11), przy czym część długości nita surowego może mieć kształt stożka ściętego. Wymiary łba (rys.1.11) są znormalizowane:
D = (1,5÷1,6)d ; K= (0,5÷0,6)d.
Podział nitów zależy od kształtu łbów nitów, przy czym wyróżnia się nity (rys. 1.12) z łbem: kulistym, płaskim i soczewkowym.
Rys.1.12. Kształty łbów nitów
Nitowanie polega na tym, że nit surowy, rozgrzany do temperatury około 900°C, wprowadza się w otwory łączonych części i zakuwa. Widok zakutego nitu pokazano na rys.1.13. W budownictwie lądowym stosuje się nity o średnicach w granicach 11 mm <d < 28 mm. Orientacyjną średnicę nitu można dobierać według wzoru: (1-1)gdzie:
tmin — grubość najcieńszego elementu z łączonych blach [mm],
m — liczba płaszczyzn ścinających nit (rys.1.14).
Spełniony winien być również warunek: 1,25 tmax<d< 2,5 tmin. (1.2)
Średnicę otworu na nity zaleca się przyjmować o l mm większą niż średnicę trzpienia.
Długość trzonu nitu l zależy od sumarycznej grubości Σti łączonych elementów, średnicy nitu d oraz kształtu zakuwki. Materiał trzonu nita powinien wystarczyć do wypełnienia otworu na nit i na utworzenie zakuwki. Dla nitów z łbem płaskim długość trzonu l oblicza się ze wzoru
l = Σti + d, gdzie: Σti — całkowita grubość łączonych elementów,
Spoiny
Spoiną nazywamy tę część złącza, która składa się z metalu stopionego podczas spawania. Zależnie od rodzaju i kształtu złącza, spoina może powstać wyłącznie ze stopionego metalu rodzimego albo też z udziałem materiału doprowadzonego dodatkowo z zewnątrz, nazywanego spoiwem.
...
Foxed