Contingut d’experts en arxius: l’article conserva designacions històriques, taules i afirmacions sobre la composició i les propietats mecàniques de l’acer, però no és una norma vàlida, especificació de material, certificat, càlcul estructural o instruccions de prova i tractament tèrmic. Els valors de disseny depenen del tipus i el lot d’acer identificats amb precisió, les condicions de fabricació, el gruix, la temperatura, la soldabilitat, la tenacitat, la fatiga i la norma aplicable. El material del coixinet ha de tenir documentació traçable i ser seleccionat i revisat per un expert responsable.
Avui, Savo Kusić se centra en finestres de fusta, finestres de fusta-alumini, finestres personalitzades, porta i sol·licituds de pressupost. Aquest article es manté com a arxiu històric i no representa una oferta per a la fabricació de reforç, disseny o assaig d’estructures d’acer.
Composició i marques històriques de l’acer de construcció
Mitjançant la fusió de minerals de ferro barrejats amb combustibles, i amb l’addició d’impureses -generalment calcàries-, així com introduint aire escalfat a pressió en un alt forn, s’obté ferro brut. El ferro brut conté més de 1,7% carboni; no es pot forjar, enrotllar, cisellar o premsar, per tant, no es pot donar forma de diverses maneres. El ferro forjat es produeix a partir de ferro brut bufant aire en un convertidor bàsic, o a partir de ferralla i ferro brut en un forn (forn Siemens-Martin). A partir d’ell es poden crear diverses formes enrotllant, premsant i forjant. Tot el ferro forjat s’anomena acer.
Taules històriques: Les antigues designacions d’acer, estàndards, permisos i procediments de plegat de les taules mostrades no s’han d’utilitzar per obtenir, identificar o dimensionar el material actual. Només són vàlides l’etiqueta i la documentació del lot lliurat, amb una comprovació d’equivalència segons la norma pactada i vigent.
Composició química de l’acer de construcció
El ferro tècnic no és ferro pur, sinó un aliatge dels elements bàsics ferro i carboni, més sovint amb l’addició de manganès, silici, fòsfor, sumbor i coure, i menys sovint amb alumini, crom, níquel, molibdè, etc. La mescla més important és el carboni. El límit elàstic i la resistència a la tracció de l’acer fos augmenten amb l’augment del contingut de carboni fins que s’aconsegueix aproximadament 0,9% carboni; l’allargament a la ruptura disminueix a mesura que augmenta el contingut de carboni. L’acer amb un alt contingut de carboni s’ha de manejar amb més cura quan es redreça, es doblega, es pandeix, etc.
Construcció d’acer St37.12per regla general contenen0,08-0,15%de carboni, després aprox0,5%manganès, fins a0,3%silici. El contingut de fòsfor i sofre ha de ser baix; ascendeix respectivament0,09%i0,05%. Per regla general, hi ha més coure0,2%.
Quan s’avaluen els resultats de les anàlisis químiques, s’ha de tenir cura de si es tracta d’anàlisis de fustes o anàlisis de productes laminats; per a aquest últim, és important si les dades de la mostra es refereixen a mostres procedents de tota la secció, o a mostres preses d’un lloc concret (des del nucli, des de la vora, des d’un extrem).
Estructura d’acer, enduriment, tremp i recuit
L’observació de l’estructura es realitza sobre superfícies planes, curosament processades, esmolades i polides que, per regla general, estan corroïdes pels àcids. En determinats casos (per exemple, en acer sobreescalfat), els grans d’acer es poden reconèixer a simple vista en mostres preparades.
La imatge 1 mostra l’estructura d’un acer refredat lentament amb un contingut de carboni d’aproximadament 0,1%, i la imatge 2 mostra l’estructura d’un acer refredat lentament amb un contingut de carboni d’aproximadament 0,3%. Els grans lleugers són lliures de carboni i consisteixen principalment en ferro pur (d’aquí el nom de ferrita); amb grans augments apareixen zones fosques amb ratlles (perlita). Al microscopi, es pot reconèixer que les taques fosques consisteixen en capes més dures i més suaus; les capes més dures són el carbur de ferro (Fe3C), anomenada cementita, que està incrustat a la ferrita més tova. Locals: els cristalls formats a alta temperatura es desintegren en refredar-se gradualment. El refredament sobtat de l’acer calent evita que els cristalls es desintegrin. Si, en canvi, es realitza un refredament sobtat abans que comenci la transformació de la solució sòlida, aleshores la solució -que d’altra manera només pot existir a altes temperatures- es continuarà mantenint a temperatura ambient. En aquest cas, no obtenim un material el carboni del qual es distribueix en forma de taques, sinó un material amb carboni uniformement distribuït. L’acer en aquesta condició mostra una força elàstica molt més alta i una resistència a la tracció més alta que l’acer de refrigeració lent de la mateixa composició química, però també mostra menys mecanització; aquest acer s’anomena acer endurit.
És natural que l’efecte de refredament sigui més pronunciat a les superfícies, mentre que es debilita cap a l’interior, la qual cosa és de gran importància per a l’ús de l’acer. L’acer endurit conté altes tensions internes.
Procediments de laboratori i tèrmics: el gravat, l’escalfament, el tremp i el recuit amb àcid metal·logràfic requereixen un laboratori o taller controlat, material identificat, equipament adequat i protecció. Un tractament tèrmic inadequat pot provocar esquerdes, deformacions, pèrdua de tenacitat i altes tensions residuals.
Comportament de l’acer durant les proves de tracció
1. Acers estructurals ordinaris en estat laminat
A partir de l’assaig de tracció, en primer lloc es pot determinar el mòdul d’elasticitat E tant per a allargaments totals com elàstics. El mòdul d’elasticitat de l’acer és 200 GPa.
Els allargaments permanents es produeixen a baixes tensions, però no tenen una importància especial en la construcció. L’acer ordinari comença a “fluir” sota càrregues que per a l’acer de construcció comercial St 37 i l’acer de formigó I superen majoritàriament 0,24 GPa, i en grans seccions aquest valor pot baixar fins a 0,18 GPa. Com a resultat de la fluència, es produeixen grans deformacions permanents i “línies de fluïdesa”. La línia del diagrama d’allargament de l’acer (imatge a continuació) mostra que s’ha superat el punt de fluència (en la càrrega de tensió, aquest límit també s’anomena punt de fluència).
Quan, en el cas de bigues de formigó armat, es supera el límit d’estirament de l’armadura a la zona de tensió, es produeixen allargaments importants a l’acer, per la qual cosa es creen esquerdes i corbes a la zona de tensió de la biga, que perjudica la capacitat de càrrega de la biga. En acers amb un alt contingut en carboni, en acers endurits i en general en metalls no fèrrics, no apareix el límit de fluència característic que es mostra a la imatge anterior; els allargaments permanents generalment augmenten i no hi ha un punt de fluència diferent. En aquests casos, per regla general, s’assumeix que el límit elàstic és igual a la càrrega a la qual es produeix un allargament permanent de 0,2%.
Els valors no són dades de disseny: el mòdul d’elasticitat, la resistència elàstica, la resistència i l’allargament del text es transfereixen d’una font històrica. Per al càlcul, es prenen els valors característics i de disseny de la classe moderna exacta, el gruix i les condicions de lliurament, juntament amb els factors parcials rellevants, les toleràncies i els requisits de tenacitat, soldabilitat i fatiga.
2. Acers estirats en fred
A cada vareta d’acer que es redreça o es doblega, es produeix acer estirat en fred localment. En fer-ho, l’acer està tensat localment més enllà del límit de fluència; a la part dibuixada, s’incrementa el límit de dibuix. Si una vareta d’acer llisa es carrega en tensió fins que es supera el límit elàstic, en tornar a carregar s’observa que el valor del límit elàstic ha augmentat. Com més llarg sigui l’interval de temps de “pausa” entre dues càrregues, més augmentarà la força de fluència.
A més, com que durant l’estirament en fred el diàmetre també disminueix en proporció a l’allargament de la barra, de manera que l’acer que s’ha exposat a un estirament important abans de la prova mostrarà una resistència a la tracció i una resistència a la tracció significativament superiors a l’acer que no s’ha estirat; al mateix temps, mostrarà menys resistència a l’impacte.
El trefilat en fred s’utilitza en la producció d’acers de formigó IIb, IIIb i IVb (tor-acer, malla de construcció d’acer), així com en la producció de filferros per a armadures pretensades i cordes de ponts penjants.
Treball en fred i reforç: Els graus i les descripcions històriques d’estirat en fred no són indicatives del producte modern. Doblar, redreçar, doblegar, soldar o escalfar el reforç pot canviar les propietats i només es permet quan ho permet la documentació del producte, el disseny i la norma aplicable.
Comportament de l’acer durant les proves de pressió
El que es va dir sobre l’elasticitat i sobre el límit de tracció de l’acer fos s’aplica en el sentit corresponent a la càrrega de pressió. Els valors del límit elàstic de l’acer estructural (en el cas de pressió s’anomena límit elàstic) obtinguts durant la prova de compressió i la prova de tensió no difereixen gaire. Tanmateix, sota pressió, un augment de la càrrega més enllà del límit de trituració només és possible amb elements molt curts.
Per a varetes primes, s’apliquen les lleis del pandeig. Al mateix temps, en primer lloc, s’han de tenir en compte els supòsits adequats, tant si es refereixen a la manera de suportar i pessigar els extrems de la vareta, com a desviacions de l’eix de la vareta respecte a la posició establerta.
Elements premsats: la resistència del material per si sola no determina la capacitat de suport de la vareta. En el càlcul de l’element de formigó s’han d’incloure l’esveltesa, la curvatura inicial, les tensions residuals, el pandeig local i global, els suports, les juntes i les imperfeccions.
Comportament de l’acer en la prova de flexió
Respecte al límit de fluència (observat des de l’exterior per les grans deflexions dels suports o per les línies de fluència), és important que es produeixi durant l’assaig de flexió a esforços lleugerament inferiors però superiors als obtinguts en provar la resistència a la tracció de la vareta d’assaig. Després de superar el límit elàstic de l’acer a les zones de tensió dels suports, les càrregues es poden augmentar si els suports estan suficientment assegurats contra el pandeig o la torsió.
Prova de flexió: la foto mostra el procediment de laboratori, no els criteris d’acceptació del producte. La geometria de la mostra, els suports, la velocitat, la temperatura, la direcció de laminació i els criteris de classificació han de correspondre a la norma aplicada i al tipus exacte d’acer.
Resistència a la fatiga de l’acer
Les propietats de resistència determinades durant les proves ordinàries de tensió, compressió o flexió proporcionen informació detallada sobre el comportament de l’acer sota càrrega estàtica. Al mateix temps, s’ha de tenir en compte que la força de fluència durant la càrrega estàtica a llarg termini serà lleugerament inferior al límit obtingut per proves ordinàries fins a la fallada. Si les càrregues estàtiques van seguides de càrregues freqüents (per exemple, ponts, vies de grua, vehicles), o si només actuen càrregues freqüents, només es poden obtenir dades sobre el material en funció del seu comportament en condicions que s’ajusten més a les condicions pràctiques. Per tant, els acers per a elements de construcció, que estaran exposats principalment a càrregues mòbils, es posen a prova mitjançant càrregues freqüents.
Molt sovint, les càrregues estacionàries i en moviment es produeixen al mateix temps. Els exemples següents descriuen l’essència del problema. Barres que es mostren a la imatge1estan fets del mateix material i fosos de la mateixa vareta. La vareta inferior es doblega lentament per càrrega gradual; per tant, es podria doblegar. La vareta superior està sotmesa repetidament a càrregues repetides, amb tensions molt inferiors a les que predominen a la primera vareta. Després d’un temps, la vareta superior es va trencar sense mostrar cap deformació permanent al voltant de la fractura. D’acord amb això, el comportament del material a la fallada depèn significativament de la forma en què s’aplica la càrrega. L’exemple anterior, que fa referència a la càrrega de flexió, també és típic d’altres tipus de càrregues. A les imatges2i3es mostren exemples d’assaigs de tracció; imatge2fa referència a un exemple senzill d’una prova de llàgrima, i la Fig3a proves de tensió variable unidireccionals.
Pel que fa a l’aplicació d’aquests fets, és important que, a banda del comportament mostrat durant l’assaig ordinari de trencament, s’hagi d’avaluar especialment el valor de l’element constructiu, que ha estat perforat o la secció del qual ha sofert altres modificacions. La resistència d’una vareta perforada a càrregues freqüents és molt inferior a la resistència d’una vareta no perforada, ja que els llindars de tensió apareixen a les vores del forat. La tensió a la vora del forat, si és causada per càrregues freqüents, sempre serà significativament superior a la tensió mitjana. La conseqüència és que els elements de construcció perforats sota càrregues freqüents mostren molta menys resistència que els elements no perforats.
Una nota final sobre la fatiga: es poden produir esquerdes per fatiga a tensions inferiors a les que provoquen una deformació plàstica visible. Forats, detalls soldats, canvis bruscos de secció, corrosió i danys canvien la categoria de detalls i la vida útil. Les estructures sota càrrega repetida requereixen un càlcul especial de fatiga, un pla d’inspecció i una valoració experta de cada esquerda detectada.