Odborný obsah archivu: článek zachovává historická označení, tabulky a tvrzení o složení a mechanických vlastnostech oceli, ale není platnou normou, specifikací materiálu, certifikátem, konstrukčním výpočtem nebo návodem na tepelné zpracování a zkoušení. Konstrukční hodnoty závisí na přesně identifikovaném typu a šarži oceli, výrobním stavu, tloušťce, teplotě, svařitelnosti, houževnatosti, únavě a příslušné normě. Ložiskový materiál musí mít sledovatelnou dokumentaci a musí být vybrán a zkontrolován odpovědným odborníkem.
Dnes se Savo Kusić zaměřuje na dřevěná okna, dřevohliníková okna, vlastní okna, dveře a žádosti o cenovou nabídku. Tento článek zůstává jako historický archiv a nepředstavuje nabídku na výrobu výztuže, projektování nebo zkoušení ocelových konstrukcí.
Složení a historické značky stavební oceli
Tavením železných rud smíchaných s palivy a přidáním nečistot - obvykle vápence - a také zavedením ohřátého vzduchu pod tlakem do vysoké pece se získává surové železo. Surové železo obsahuje více než 1,7% uhlíku; nelze jej kovat, válcovat, dlabat ani lisovat – nelze jej tedy různě tvarovat. Tepané železo se vyrábí ze surového železa vháněním vzduchu v základním konvertoru, nebo ze železného šrotu a surového železa v peci (Siemens-Martinova pec). Dají se z něj válcováním, lisováním a kováním vytvářet různé formy. Všechno kujné železo se nazývá ocel.
Historické tabulky: Stará označení oceli, normy, přídavky a postupy ohýbání v uvedených tabulkách nesmí být používány ke zdroji, identifikaci nebo dimenzování dnešního materiálu. Platný je pouze štítek a dokumentace dodané šarže s kontrolou rovnocennosti dle dohodnuté a platné normy.
Chemické složení konstrukční oceli
Technické železo není čisté železo, ale slitina základních prvků železa a uhlíku, nejčastěji s přídavkem manganu, křemíku, fosforu, sumboru a mědi, méně často s hliníkem, chrómem, niklem, molybdenem apod. Nejvýznamnější příměsí je uhlík. Mez kluzu a pevnost v tahu roztavené oceli se zvyšují se zvyšujícím se obsahem uhlíku, dokud není dosaženo přibližně 0,9% uhlíku; prodloužení při přetržení se snižuje s rostoucím obsahem uhlíku. S ocelí s vysokým obsahem uhlíku je třeba zacházet opatrněji při rovnání, ohýbání, vzpěr atd.
Stavební ocel St37.12zpravidla obsahují0,08-0,15%uhlíku, pak cca0,5%mangan, až0,3%křemík. Obsah fosforu a síry musí být nízký; to činí resp0,09%a0,05%. Mědi je zpravidla více0,2%.
Při vyhodnocování výsledků chemických rozborů je třeba dbát na to, zda se jedná o rozbory z tavenin nebo rozbory válcovaného zboží; u druhého je důležité, zda se údaje o vzorku vztahují na vzorky pocházející z celého řezu, nebo na vzorky odebrané z konkrétního místa (z jádra, z okraje, z jednoho konce).
Ocelová konstrukce, kalení, popouštění a žíhání
Pozorování struktury se provádí na rovných, pečlivě opracovaných, broušených a leštěných površích, které jsou zpravidla korodované kyselinami. V určitých případech (např. na přehřáté oceli) lze ocelová zrna rozpoznat pouhým okem na připravených vzorcích.
Obrázek 1 ukazuje strukturu pomalu chlazené oceli s obsahem uhlíku přibližně 0,1% a obrázek 2 ukazuje strukturu pomalu chlazené oceli s obsahem uhlíku přibližně 0,3%. Lehká zrna jsou bez uhlíku a sestávají převážně z čistého železa (odtud název ferit); při velkém zvětšení se tmavé oblasti jeví jako pruhované (perlit). Pod mikroskopem lze rozpoznat, že tmavé skvrny se skládají z tvrdších a měkčích vrstev; tvrdšími vrstvami jsou karbid železa (Fe3C), nazývaný cementit, který je uložen v měkčím feritu. Lokálky - krystaly vzniklé při vysoké teplotě se při postupném ochlazování rozpadají. Náhlé ochlazení horké oceli zabraňuje rozpadu krystalů. Pokud se na druhé straně provede náhlé ochlazení před zahájením transformace pevného roztoku, pak roztok - který jinak může existovat pouze při vysokých teplotách - bude i nadále udržován při pokojové teplotě. V tomto případě nezískáme materiál, jehož uhlík je rozmístěn ve formě skvrn, ale materiál s rovnoměrně rozloženým uhlíkem. Ocel v tomto stavu vykazuje mnohem vyšší mez kluzu a vyšší pevnost v tahu než pomalu chlazená ocel stejného chemického složení, ale také vykazuje horší obrobitelnost; taková ocel se nazývá kalená ocel.
Je přirozené, že chladící efekt je nejvýraznější na površích, zatímco směrem dovnitř slábne, což má velký význam pro použití oceli. Kalená ocel obsahuje vysoké vnitřní pnutí.
Laboratorní a tepelné postupy: metalografické leptání, zahřívání, temperování a žíhání vyžaduje řízenou laboratoř nebo dílnu, identifikovaný materiál, vhodné vybavení a ochranu. Nesprávné tepelné zpracování může způsobit praskliny, deformace, ztrátu houževnatosti a vysoká zbytková napětí.
Chování oceli během zkoušky tahem
1. Běžné konstrukční oceli ve válcovaném stavu
Ze zkoušky tahem lze v první řadě určit modul pružnosti E pro celkové i elastické prodloužení. Modul pružnosti oceli je 200 GPa.
K trvalému prodloužení dochází při nízkých napětích, ale ve stavebnictví nemají žádný zvláštní význam. Obyčejná ocel začíná „téct“ pod zatížením, které u komerční stavební oceli St 37 a betonářské oceli I většinou překračuje 0,24 GPa a na velkých úsecích může tato hodnota klesnout až na 0,18 GPa. Následkem proudění dochází k velkým trvalým deformacím a „čarám průtažnosti“. Čára diagramu prodloužení oceli (obrázek níže) ukazuje, že byla překročena mez kluzu (při zatížení tahem se tato mez také nazývá mez kluzu).
Při překročení meze natažení výztuže v tahové zóně u železobetonových nosníků dochází v oceli k výraznému prodloužení, čímž v tahové zóně nosníku vznikají trhliny a ohyby, které zhoršují nosnost nosníku. Na ocelích s vysokým obsahem uhlíku, na kalených ocelích a obecně na neželezných kovech se charakteristická mez kluzu uvedená na obrázku výše neobjeví; trvalá prodloužení obecně vzrůstají a neexistuje žádná zřetelná mez kluzu. V takových případech se zpravidla předpokládá, že mez kluzu je rovna zatížení, při kterém dojde k trvalému prodloužení 0,2%.
Hodnoty nejsou návrhové údaje: modul pružnosti, mez kluzu, pevnost a tažnost v textu jsou převedeny z historického zdroje. Pro výpočet se berou charakteristické a návrhové hodnoty přesné moderní třídy, tloušťky a dodacího stavu spolu s příslušnými dílčími faktory, tolerancemi a požadavky na houževnatost, svařitelnost a únavu.
2. Oceli tažené za studena
V každé ocelové tyči, která je narovnána nebo ohnuta, se lokálně vyskytuje ocel tažená za studena. Přitom je ocel lokálně namáhána za mez kluzu; na taženém dílu se zvýší limit tažení. Pokud je tyč z obyčejné oceli zatěžována tahem až do překročení meze kluzu, při opětovném zatěžování je pozorováno, že se hodnota meze kluzu zvýšila. Čím delší je časový interval „pauzy“ mezi dvěma zatíženími, tím více se zvýší mez kluzu.
Navíc, protože během protahování za studena se průměr také zmenšuje úměrně s prodloužením tyče, takže ocel, která byla před zkouškou vystavena značnému protažení, bude vykazovat výrazně vyšší mez kluzu a pevnost v tahu než ocel, která nebyla protažena; zároveň bude vykazovat menší odolnost proti nárazu.
Tažení za studena se používá při výrobě betonových ocelí IIb, IIIb a IVb (tor-ocel, ocelové konstrukční pletivo), jakož i při výrobě drátů pro předpjatou výztuž a lan visutých mostů.
Práce za studena a výztuž: Historické jakosti a popisy tažené za studena neoznačují moderní produkt. Ohýbání, rovnání, opětovné ohýbání, svařování nebo zahřívání výztuže může změnit vlastnosti a je povoleno pouze tehdy, když to povoluje produktová dokumentace, design a platná norma.
Chování oceli během tlakové zkoušky
To, co bylo řečeno o elasticitě ao mezích tahu roztavené oceli, platí v odpovídajícím smyslu pro tlakové zatížení. Hodnoty meze kluzu konstrukční oceli (v případě tlaku se nazývá mez kluzu) získané během zkoušky tlakem a zkoušky tahem se příliš neliší. Pod tlakem je však zvýšení zatížení nad mez drcení možné pouze u velmi krátkých prvků.
Zákony vzpěru platí pro štíhlé pruty. Přitom v první řadě je třeba vzít v úvahu vhodné předpoklady, ať už se týkají způsobu podepření a sevření konců tyče, nebo odchylek osy tyče od stanovené polohy.
Lisované prvky: samotná pevnost materiálu neurčuje nosnost tyče. Do výpočtu betonového prvku musí být zahrnuta štíhlost, počáteční zakřivení, zbytková napětí, lokální a globální boulení, podpory, spoje a imperfekce.
Chování oceli při zkoušce ohybem
Pokud jde o mez kluzu (pozorovanou z vnějšku velkými průhyby podpěr nebo čarami průtažnosti), je důležité, že k ní dojde při zkoušce ohybem při mírně nižších, ale vyšších napětích, než jsou ta získaná při zkoušení pevnosti v tahu zkušební tyče. Po překročení meze kluzu oceli v tahových zónách podpěr lze zatížení zvýšit, pokud jsou podpěry dostatečně zajištěny proti vybočení nebo zkroucení.
Zkouška ohybem: fotografie ukazuje laboratorní postup, nikoli kritéria přijatelnosti produktu. Geometrie vzorku, podpěry, rychlost, teplota, směr válcování a kritéria jakosti musí odpovídat použité normě a přesnému typu oceli.
Únavová pevnost oceli
Pevnostní vlastnosti stanovené během běžných zkoušek tahem, tlakem nebo ohybem poskytují podrobné informace o chování oceli při statickém zatížení. Zároveň je třeba vzít v úvahu, že mez kluzu při dlouhodobém statickém zatížení bude o něco nižší než limit získaný běžným zkoušením až do porušení. Pokud po statickém zatížení následují časté zatížení (např. mosty, jeřábové dráhy, vozidla), nebo pokud vůbec působí pouze časté zatížení, lze údaje o materiálu získat pouze na základě jeho chování za podmínek, které nejvíce odpovídají praktickým podmínkám. Proto jsou oceli pro konstrukční prvky, které budou vystaveny převážně pohyblivému zatížení, testovány častým zatěžováním.
Nejčastěji se současně vyskytují stacionární a pohyblivé zátěže. Následující příklady nastiňují podstatu problému. Tyče zobrazené na obrázku1jsou vyrobeny ze stejného materiálu a odlity ze stejné tyče. Spodní tyč se pozvolna ohýbá postupným zatěžováním; proto by mohl být ohnut. Horní tyč je opakovaně vystavena opakovanému zatěžování, přičemž napětí je mnohem nižší než u první tyče. Po nějaké době došlo k prasknutí horní tyče, aniž by se v okolí lomu projevila jakákoli trvalá deformace. Podle toho chování materiálu při porušení výrazně závisí na způsobu působení zatížení. Uvedený příklad, který se týká zatížení ohybem, je charakteristický i pro jiné typy zatížení. Na obrázcích2a3jsou uvedeny příklady tahových zkoušek; obrázek2odkazuje na jednoduchý příklad slzného testu a Obr3ke zkouškám jednosměrným proměnným tahem.
Při aplikaci těchto skutečností je důležité, že kromě chování ukázaného při běžné trhací zkoušce musí být vyhodnocena zejména hodnota konstrukčního prvku, který byl vrtán nebo jehož průřez doznal jiných změn. Odolnost vrtané tyče vůči častému zatížení je mnohem nižší než odpor nevrtané tyče, protože na okrajích otvoru se objevují prahové hodnoty napětí. Napětí na okraji otvoru, pokud je způsobeno častým zatížením, bude vždy výrazně vyšší než průměrné napětí. Důsledkem je, že vrtané stavební prvky při častém zatížení vykazují mnohem menší pevnost než nevrtané prvky.
Poznámka k únavě na závěr: K únavovým trhlinám může dojít při namáhání nižším, než jaké způsobuje viditelnou plastickou deformaci. Díry, svařované detaily, náhlé změny průřezu, koroze a poškození mění kategorii detailů a životnost. Konstrukce při opakovaném zatěžování vyžadují speciální výpočet únavy, kontrolní plán a odborné posouzení každé zjištěné trhliny.