Arhivski stručni sadržaj: Članak čuva istorijske oznake, tabele i tvrdnje o sastavu i mehaničkim svojstvima čelika, ali nije važeći standard, specifikacija materijala, sertifikat, proračun konstrukcije ili uputstva za termičku obradu i ispitivanje. Projektne vrijednosti zavise od tačno identificirane vrste i serije čelika, uvjeta proizvodnje, debljine, temperature, zavarljivosti, žilavosti, zamora i primjenjivog standarda. Materijal ležaja mora imati sljedivu dokumentaciju i biti odabran i provjeren od strane odgovornog stručnjaka.
Danas je Savo Kusić fokusiran na drvene prozore, drvo-aluminijum prozori, prilagođeni prozori, vrata i zahtjevi za ponudu. Ovaj članak ostaje kao historijska arhiva i ne predstavlja ponudu za izradu armature, projektovanje ili ispitivanje čeličnih konstrukcija.
Sastav i istorijske oznake građevinskog čelika
Taljenjem željeznih ruda pomiješanih sa gorivima, i uz dodatak nečistoća – najčešće krečnjaka – kao i uvođenjem zagrijanog zraka pod pritiskom u visoku peć, dobija se sirovo željezo. Sirovo gvožđe sadrži preko 1,7% ugljenika; ne može se kovati, valjati, klesati ili presovati – dakle, ne može se oblikovati na razne načine. Kovano gvožđe se proizvodi od sirovog gvožđa uduvavanjem vazduha u osnovni konvertor, ili od starog gvožđa i sirovog gvožđa u peći (Siemens-Martin peć). Od njega se valjanjem, prešanjem i kovanjem mogu stvoriti različiti oblici. Svo kovano gvožđe se zove čelik.
Povijesne tabele: Stare oznake čelika, standardi, dopuštenja i postupci savijanja u prikazanim tabelama ne smiju se koristiti za nabavku, identifikaciju ili dimenzioniranje današnjeg materijala. Važeće samo etiketa i dokumentacija isporučene serije, uz provjeru ekvivalencije prema dogovorenom i važećem standardu.
Hemijski sastav konstrukcijskog čelika
Tehničko gvožđe nije čisto gvožđe, već legura osnovnih elemenata gvožđa i ugljenika, najčešće sa dodatkom mangana, silicijuma, fosfora, sumbora i bakra, a ređe aluminijuma, hroma, nikla, molibdena itd. Najvažnija primesa je ugljenik. Granica tečenja i vlačna čvrstoća rastaljenog čelika rastu s povećanjem sadržaja ugljika sve dok ne dostigne pribl.0,9%ugljenik; rastezanje pri prekidu se smanjuje kako se povećava sadržaj ugljika. Čelikom s visokim sadržajem ugljika mora se postupati pažljivije prilikom ispravljanja, savijanja, izvijanja itd.
Konstrukcijski čelik St37.12po pravilu sadrže0,08-0,15%ugljenika, tada ca0,5%mangan, do0,3%silicijum. Sadržaj fosfora i sumpora mora biti nizak; iznosi respektivno0,09%i0,05%. U pravilu ima više bakra0,2%.
Prilikom ocjenjivanja rezultata hemijskih analiza, mora se voditi računa o tome da li su to analize iz taline ili analize valjane robe; za potonje je važno da li se podaci o uzorku odnose na uzorke koji potiču iz cijelog odsjeka ili na uzorke uzete sa određenog mjesta (iz jezgre, sa ivice, sa jednog kraja).
Čelična konstrukcija, kaljenje, kaljenje i žarenje
Promatranje strukture se vrši na ravnim, pažljivo obrađenim, brušenim i poliranim površinama koje su u pravilu nagrizene kiselinama. U određenim slučajevima (npr. na pregrijanom čeliku), čelična zrna se mogu prepoznati golim okom na pripremljenim uzorcima.
Slika 1 prikazuje strukturu sporo ohlađenog čelika sa sadržajem ugljika od oko 0,1%, a slika 2 prikazuje strukturu sporo ohlađenog čelika sa sadržajem ugljika od oko 0,3%. Laka zrna su bez ugljenika i sastoje se uglavnom od čistog gvožđa (otuda naziv ferit); pod velikim povećanjem tamna područja izgledaju prugasta (perlit). Pod mikroskopom se može prepoznati da se tamne mrlje sastoje od tvrđih i mekših slojeva; tvrđi slojevi su željezni karbid (Fe3C), nazvan cementit, ugrađen u mekši ferit. Lokalno - kristali nastali na visokoj temperaturi raspadaju se postepenim hlađenjem. Naglo hlađenje vrućeg čelika sprječava raspad kristala. Ako se, s druge strane, izvrši naglo hlađenje prije nego što počne transformacija čvrste otopine, tada će se otopina - koja inače može postojati samo na visokim temperaturama - nastaviti održavati na sobnoj temperaturi. U ovom slučaju ne dobijamo materijal čiji je ugljenik raspoređen u obliku mrlja, već materijal sa ravnomerno raspoređenim ugljenikom. Čelik u tom stanju pokazuje daleko veću granicu tečenja i veću vlačnu čvrstoću od sporo hlađenog čelika istog hemijskog sastava, ali pokazuje i manju obradivost; takav čelik se naziva kaljeni čelik.
Prirodno je da je efekat hlađenja najizraženiji na površinama, dok slabi prema unutrašnjoj strani, što je od velikog značaja za upotrebu čelika. Kaljeni čelik sadrži visoka unutrašnja naprezanja.
Laboratorijski i termički procesi: jetkanje metalografskom kiselinom, zagrijavanje, kaljenje i žarenje zahtijevaju kontroliranu laboratoriju ili radionicu, identificirani materijal, odgovarajuću opremu i zaštitu. Nepravilna termička obrada može uzrokovati pukotine, deformacije, gubitak čvrstoće i visoka zaostala naprezanja.
Ponašanje čelika tokom ispitivanja zatezanja
1. Obični konstrukcijski čelici u valjanom stanju
Iz testa zatezanja, na prvom mjestu se može odrediti modul elastičnosti E i za ukupna i za elastična izduženja. Modul elastičnosti čelika je 200 GPa.
Trajna izduženja se javljaju pri niskim naponima, ali nisu od posebnog značaja u građevinarstvu. Običan čelik počinje da “teče” pod opterećenjima koja za komercijalne građevinske čelik St 37 i betonski čelik I uglavnom prelaze 0,24 GPa, a u velikim presjecima ova vrijednost se može spustiti do 0,18 GPa. Kao rezultat popuštanja nastaju velike trajne deformacije i “linije popuštanja”. Linija dijagrama istezanja čelika (slika ispod) pokazuje da je granica razvlačenja premašena (kada je opterećena na zatezanje, ova granica se naziva i granica tečenja).
Kada se kod armiranobetonskih greda prekorači granica rastezanja armature u zoni zatezanja, dolazi do značajnih izduženja čelika, pri čemu se u zoni zatezanja grede stvaraju pukotine i krivine, što narušava nosivost grede. Na čelicima s visokim sadržajem ugljika, na kaljenim čelicima i općenito na obojenim metalima, ne pojavljuje se karakteristična granica tečenja prikazana na gornjoj slici; trajna izduženja se generalno povećavaju i nema jasne granice popuštanja. U takvim slučajevima, po pravilu, pretpostavlja se da je granica popuštanja jednaka opterećenju pri kojem se javlja trajno istezanje od 0,2%.
Vrijednosti nisu projektni podaci: modul elastičnosti, granica popuštanja, čvrstoća i izduženje u tekstu se prenose iz istorijskog izvora. Za proračun se uzimaju karakteristične i projektne vrijednosti tačne moderne klase, debljine i uvjeta isporuke, zajedno sa relevantnim parcijalnim faktorima, tolerancijama i zahtjevima za žilavost, zavarljivost i zamor.
2. Hladno vučeni čelici
U svakoj čeličnoj šipki koja je ispravljena ili savijena, pojavljuje se lokalno hladno vučeni čelik. Pri tome, čelik je lokalno napregnut iznad granice popuštanja; na nacrtanom dijelu se povećava granica izvlačenja. Ako se obična čelična šipka opterećuje nategnuto sve dok se ne prekorači granica razvlačenja, pri ponovnom opterećenju se uočava da je vrijednost granice razvlačenja porasla. Što je duži vremenski interval “pauze” između dva opterećenja, jačina tečenja će se više povećati.
Osim toga, budući da se tijekom hladnog istezanja i promjer smanjuje proporcionalno istezanju šipke, tako da će čelik koji je prije ispitivanja bio izložen značajnom istezanju pokazati znatno veću granicu tečenja i vlačnu čvrstoću od čelika koji nije istegnut; istovremeno će pokazati manju otpornost na udarce.
Hladno izvlačenje se koristi u proizvodnji betonskih čelika IIb, IIIb i IVb (tor-čelik, čelične konstrukcijske mreže), kao i u proizvodnji žica za prednapregnutu armaturu i užadi visećih mostova.
Hladni rad i ojačanje: Istorijski hladno vučeni razredi i opisi ne ukazuju na moderan proizvod. Savijanje, ravnanje, ponovno savijanje, zavarivanje ili zagrijavanje armature može promijeniti svojstva i dozvoljeno je samo kada to dozvoljava dokumentacija proizvoda, dizajn i važeći standard.
Ponašanje čelika tokom ispitivanja pod pritiskom
Ono što je rečeno o elastičnosti i granici zatezanja rastaljenog čelika u odgovarajućem smislu vrijedi i za opterećenje pod pritiskom. Vrijednosti granice popuštanja konstrukcijskog čelika (u slučaju pritiska to se zove granica popuštanja) dobivene tijekom ispitivanja na kompresiju i testa zatezanja ne razlikuju se mnogo. Međutim, pod pritiskom, povećanje opterećenja iznad granice drobljenja moguće je samo kod vrlo kratkih elemenata.
Za vitke šipke vrijede zakoni izvijanja. Pri tome, u prvom redu, treba uzeti u obzir odgovarajuće pretpostavke, bilo da se odnose na način oslanjanja i štipanja krajeva štapa, ili na odstupanja ose štapa od utvrđenog položaja.
Presovani elementi: čvrstoća materijala sama po sebi ne određuje nosivost šipke. Vitkost, početna zakrivljenost, zaostala naprezanja, lokalno i globalno izvijanje, oslonci, spojevi i nesavršenosti moraju biti uključeni u proračun betonskog elementa.
Ponašanje čelika u testu savijanja
Što se tiče tačke popuštanja (posmatrano izvana po velikim deformacijama oslonaca ili po linijama popuštanja), važno je da će se ona pojaviti tokom ispitivanja savijanja pri nešto nižim, ali većim naponima od onih dobijenih pri ispitivanju vlačne čvrstoće ispitne šipke. Nakon prekoračenja granice popuštanja čelika u zateznim zonama oslonaca, opterećenja se mogu povećati ako su oslonci dovoljno osigurani od izvijanja ili uvrtanja.
Test savijanja: fotografija prikazuje laboratorijsku proceduru, a ne kriterije prihvatljivosti proizvoda. Geometrija uzorka, oslonci, brzina, temperatura, smjer valjanja i kriteriji klasiranja moraju odgovarati primijenjenom standardu i tačnoj vrsti čelika.
Čvrstoća čelika na zamor
Svojstva čvrstoće utvrđena tijekom uobičajenih testova na zatezanje, pritisak ili savijanje daju detaljne informacije o ponašanju čelika pri statičkom opterećenju. Pri tome treba uzeti u obzir da će granica popuštanja tijekom dugotrajnog statičkog opterećenja biti nešto niža od granice dobivene običnim ispitivanjem do loma. Ako statička opterećenja prate česta opterećenja (npr. mostovi, kranske staze, vozila), ili ako uopće djeluju samo česta opterećenja, tada se podaci o materijalu mogu dobiti samo na temelju njegovog ponašanja u uvjetima koji najviše odgovaraju praktičnim uvjetima. Stoga se čelici za konstrukcijske elemente, koji će uglavnom biti izloženi pokretnim opterećenjima, ispituju čestim opterećenjem.
Najčešće se istovremeno javljaju stacionarna i pokretna opterećenja. Sljedeći primjeri ocrtavaju suštinu problema. Štapovi prikazani na slici1napravljeni su od istog materijala i liveni od istog štapa. Donji štap se polako savija postepenim opterećenjem; stoga bi mogao biti savijen. Gornja šipka je u više navrata izložena ponovljenom opterećenju, s naprezanjima daleko manjim od onih koji prevladavaju u prvom štapu. Nakon nekog vremena, gornji štap se slomio bez ikakve trajne deformacije oko prijeloma. Prema tome, ponašanje materijala pri lomu značajno ovisi o načinu na koji se primjenjuje opterećenje. Gornji primjer, koji se odnosi na opterećenje savijanjem, tipičan je i za druge vrste opterećenja. Na slikama2i3prikazani su primjeri zateznih ispitivanja; slika2odnosi se na jednostavan primjer testa kidanja, a sl3na jednosmjerna ispitivanja promjenjive napetosti.
Što se tiče primjene ovih činjenica, važno je da se - osim ponašanja pokazanog prilikom običnog ispitivanja kidanja - mora posebno ocijeniti vrijednost konstrukcijskog elementa koji je izbušen ili čiji je poprečni presjek bio podvrgnut drugim promjenama. Otpor izbušene šipke na česta opterećenja je mnogo niži od otpora nebušene šipke, jer se na rubovima rupe pojavljuju pragovi napona. Napon na rubu rupe, ako je uzrokovan čestim opterećenjima, uvijek će biti znatno veći od prosječnog naprezanja. Posljedica je da izbušeni građevinski elementi pod čestim opterećenjima pokazuju daleko manju čvrstoću od nebušenih elemenata.
Posljednja napomena o zamoru: zamorno pucanje može nastati pri naponima manjim od onih koji uzrokuju vidljivu plastičnu deformaciju. Rupe, zavareni detalji, nagle promjene presjeka, korozija i oštećenja mijenjaju kategoriju detalja i vijek trajanja. Konstrukcije pod ponovnim opterećenjem zahtijevaju poseban proračun zamora, plan inspekcije i stručnu procjenu svake otkrivene pukotine.