Arkivekspertindhold: Artiklen bevarer historiske betegnelser, tabeller og påstande om stålets sammensætning og mekaniske egenskaber, men er ikke en gyldig standard, materialespecifikation, certifikat, strukturel beregning eller varmebehandlings- og testinstruktion. Designværdier afhænger af den nøjagtigt identificerede type og parti af stål, fremstillingstilstand, tykkelse, temperatur, svejsbarhed, sejhed, træthed og gældende standard. Lejematerialet skal have sporbar dokumentation og være udvalgt og kontrolleret af en ansvarlig ekspert.
I dag er Savo Kusić fokuseret på trævinduer, træ-aluminium vinduer, tilpassede vinduer, dør og anmodninger om tilbud. Denne artikel forbliver som et historisk arkiv og repræsenterer ikke et tilbud om fremstilling af armering, design eller test af stålkonstruktioner.
Sammensætning og historiske mærker af konstruktionsstål
Ved at smelte jernmalme blandet med brændsler, og med tilsætning af urenheder - sædvanligvis kalksten - samt ved at indføre opvarmet luft under tryk i en højovn, opnås råjern. Råjern indeholder over 1,7% kulstof; den kan ikke smedes, valses, mejsles eller presses - derfor kan den ikke formes på forskellige måder. Smedejern fremstilles af råjern ved at blæse luft i en basisomformer eller af skrot og råjern i en ovn (Siemens-Martin ovn). Forskellige former kan skabes ud fra det ved at rulle, presse og smede. Alt smedejern hedder stål.
Historiske tabeller: De gamle stålbetegnelser, standarder, tilladelser og bukkeprocedurer i de viste tabeller må ikke bruges til at indkøbe, identificere eller dimensionere dagens materiale. Kun etiketten og dokumentationen for det leverede parti er gyldige, med kontrol af ækvivalens i henhold til den aftalte og gældende standard.
Kemisk sammensætning af konstruktionsstål
Teknisk jern er ikke rent jern, men en legering af grundstofferne jern og kulstof, oftest med tilsætning af mangan, silicium, fosfor, sumbor og kobber, og sjældnere med aluminium, krom, nikkel, molybdæn osv. Den vigtigste tilsætning er kul. Flydestyrken og trækstyrken af smeltet stål stiger med stigende kulstofindhold, indtil omkring 0,9% kulstof er nået; brudforlængelsen aftager, når kulstofindholdet stiger. Stål med et højt kulstofindhold skal håndteres mere forsigtigt, når der rettes, bøjes, bukkes osv.
Konstruktionsstål St37.12som regel indeholder de0,08-0,15%af kulstof, derefter ca0,5%mangan, op til0,3%silicium. Indholdet af fosfor og svovl skal være lavt; det beløber sig hhv0,09%og0,05%. Som regel er der mere kobber0,2%.
Ved vurdering af resultaterne af kemiske analyser skal man være opmærksom på, om der er tale om analyser fra smeltninger eller analyser af valset gods; for sidstnævnte er det vigtigt, om prøvedataene refererer til prøver, der stammer fra hele sektionen, eller til prøver taget fra et bestemt sted (fra kernen, fra kanten, fra den ene ende).
Stålstruktur, hærdning, hærdning og udglødning
Observation af strukturen udføres på flade, omhyggeligt bearbejdede, slebne og polerede overflader, der som regel er korroderede af syrer. I visse tilfælde (f.eks. på overophedet stål) kan stålkorn genkendes med det blotte øje på forberedte prøver.
Billedet 1 viser strukturen af et langsomt afkølet stål med et kulstofindhold på omkring 0,1%, og billedet 2 viser strukturen af et langsomt afkølet stål med et kulstofindhold på omkring 0,3%. Lette korn er kulfrie og består hovedsagelig af rent jern (deraf navnet ferrit); under høj forstørrelse fremstår de mørke områder stribede (perlit). Under mikroskopet kan man erkende, at de mørke pletter består af hårdere og blødere lag; de hårdere lag er jerncarbid (Fe3C), kaldet cementit, som er indlejret i den blødere ferrit. Lokale - krystaller dannet ved høj temperatur går i opløsning ved gradvis afkøling. Pludselig afkøling af det varme stål forhindrer krystallerne i at gå i opløsning. Hvis der derimod foretages en pludselig afkøling, før omdannelsen af den faste opløsning begynder, så vil opløsningen - som ellers kun kan eksistere ved høje temperaturer - fortsat holdes ved stuetemperatur. I dette tilfælde får vi ikke et materiale, hvis kulstof er fordelt i form af pletter, men et materiale med jævnt fordelt kulstof. Stål i den tilstand viser en langt højere flydespænding og højere trækstyrke end langsomt afkølet stål af samme kemiske sammensætning, men det viser også mindre bearbejdelighed; sådant stål kaldes hærdet stål.
Det er naturligt, at den kølende effekt er mest udtalt på overfladerne, mens den svækkes mod indersiden, hvilket har stor betydning for brugen af stål. Hærdet stål indeholder høje indre spændinger.
Laboratorie- og termiske procedurer: metallografisk syreætsning, opvarmning, temperering og udglødning kræver et kontrolleret laboratorium eller værksted, identificeret materiale, passende udstyr og beskyttelse. Forkert varmebehandling kan forårsage revner, deformationer, tab af sejhed og høje restspændinger.
Ståls opførsel under trækprøvning
1. Almindelige konstruktionsstål i valset tilstand
Ud fra træktesten kan i første omgang elasticitetsmodulet E bestemmes både for totale og elastiske forlængelser. Elasticitetsmodulet for stål er 200 GPa.
Permanente forlængelser forekommer ved lave spændinger, men de har ingen særlig betydning i konstruktionen. Almindelig stål begynder at “flyde” under belastninger, der for kommercielt byggestål St 37 og betonstål I for det meste overstiger 0,24 GPa, og i store sektioner kan denne værdi gå ned til 0,18 GPa. Som følge af flowet opstår der store permanente deformationer og “flydegrænser”. Linjen i stålforlængelsediagrammet (billedet nedenfor) viser, at flydegrænsen er overskredet (ved trækbelastning kaldes denne grænse også for flydegrænsen).
Når der ved bjælker af jernbeton overskrides armeringens strækgrænse i spændingszonen, sker der betydelige forlængelser i stålet, hvorved der i bjælkens spændingszone skabes revner og bøjninger, hvilket forringer bjælkens bæreevne. På stål med højt kulstofindhold, på hærdet stål og generelt på ikke-jernholdige metaller fremkommer det karakteristiske flydegrænse vist på billedet ovenfor ikke; permanente forlængelser stiger generelt, og der er ikke noget tydeligt flydegrænse. I sådanne tilfælde antages flydespændingen som udgangspunkt at være lig med den belastning, ved hvilken der sker en permanent forlængelse på 0,2%.
Værdier er ikke designdata: elasticitetsmodul, flydespænding, styrke og forlængelse i teksten er overført fra en historisk kilde. Til beregningen tages karakteristika og designværdier for den nøjagtige moderne klasse, tykkelse og leveringstilstand sammen med de relevante partialfaktorer, tolerancer og krav til sejhed, svejsbarhed og træthed.
2. Koldtrukne stål
I hver stålstang, der rettes eller bøjes, forekommer lokalt koldttrukket stål. Derved belastes stålet lokalt ud over flydegrænsen; på den tegnede del øges trækgrænsen. Hvis en almindelig stålstang belastes i træk, indtil flydespændingen er overskredet, observeres det ved genladning, at værdien af flydespændingen er steget. Jo længere “pause”-tidsintervallet er mellem to belastninger, jo mere vil flydespændingen stige.
Dertil kommer, at da ved koldstrækning også diameteren falder i forhold til stangens forlængelse, så vil stålet, der blev udsat for betydelig strækning før testen, vise en væsentlig højere flydespænding og trækstyrke end stål, der ikke er blevet strakt; samtidig vil den vise mindre slagfasthed.
Koldtrækning bruges til fremstilling af betonstål IIb, IIIb og IVb (tor-stål, stålkonstruktionsnet), samt i produktion af wirer til forspændt armering og reb af hængebroer.
Koldt arbejde og forstærkning: Historiske koldtrukne kvaliteter og beskrivelser er ikke vejledende for moderne produkter. Bøjning, opretning, genbukning, svejsning eller opvarmning af armeringen kan ændre egenskaberne og er kun tilladt, når det er tilladt i henhold til produktdokumentationen, design og gældende standard.
Ståladfærd under trykprøvning
Hvad der blev sagt om elasticiteten og om trækgrænsen for det smeltede stål gælder i tilsvarende betydning for trykbelastningen. Værdierne for flydespændingen af konstruktionsstål (i tilfælde af tryk kaldes det flydespænding) opnået under kompressionstesten og trækprøven adskiller sig ikke meget. Men under tryk er en forøgelse af belastningen ud over knusningsgrænsen kun mulig med meget korte elementer.
For slanke stænger gælder spændingslovene. Samtidig bør der i første omgang tages hensyn til passende antagelser, hvad enten de refererer til måden at støtte og klemme stangens ender på, eller til afvigelser af stangens akse fra den etablerede position.
Pressede elementer: materialets styrke alene bestemmer ikke stangens bæreevne. Slankhed, indledende krumning, restspændinger, lokal og global knækning, understøtninger, samlinger og ufuldkommenheder skal indgå i beregningen af betonelementet.
Ståls opførsel i bøjningstest
Med hensyn til flydegrænsen (observeret udefra ved de store udbøjninger af understøtningerne eller af vigelinjerne), er det vigtigt, at det vil ske under bøjningsprøven ved lidt lavere, men højere spændinger end dem, der opnås ved test af teststangens trækstyrke. Efter overskridelse af stålets flydespænding i understøtningernes spændingszoner kan belastningerne øges, hvis understøtningerne er tilstrækkeligt sikret mod knæk eller vridning.
Bøjningstest: billedet viser laboratorieprocedure, ikke kriterier for produktaccept. Prøvens geometri, understøtninger, hastighed, temperatur, rulleretning og klassificeringskriterier skal svare til den anvendte standard og den nøjagtige type stål.
Udmattelsesstyrke af stål
Styrkeegenskaber bestemt under almindelige træk-, kompressions- eller bøjningstests giver detaljerede oplysninger om stålets opførsel under statisk belastning. Samtidig skal det tages i betragtning, at flydespændingen ved langvarig statisk belastning vil være lidt lavere end den grænse, der opnås ved almindelig test indtil fejl. Hvis statiske belastninger efterfølges af hyppige belastninger (f.eks. broer, kranbaner, køretøjer), eller hvis der overhovedet kun virker hyppige belastninger, kan der kun indhentes data om materialet baseret på dets adfærd under forhold, der bedst matcher praktiske forhold. Derfor testes stål til konstruktionselementer, som hovedsageligt vil blive udsat for bevægelige belastninger, ved hyppig belastning.
Oftest forekommer stationære og bevægelige belastninger på samme tid. De følgende eksempler skitserer essensen af problemet. Stænger vist på billedet1de er lavet af samme materiale og støbt af samme stang. Den nederste stang bøjes langsomt ved gradvis belastning; derfor kunne den bøjes. Den øverste stang udsættes gentagne gange for gentagne belastninger med spændinger langt lavere end dem, der er fremherskende i den første stang. Efter nogen tid knækkede den øverste stang uden at vise nogen permanent deformation omkring bruddet. Ifølge dette afhænger materialets adfærd ved svigt væsentligt af den måde, hvorpå belastningen påføres. Ovenstående eksempel, som refererer til bøjningsbelastningen, er også typisk for andre typer belastninger. På billederne2og3eksempler på trækprøver er vist; billede2henviser til et simpelt eksempel på en rivetest, og fig3til ensrettede variable spændingstests.
Vedrørende anvendelsen af disse kendsgerninger er det vigtigt, at - ud over den adfærd, der er vist ved den almindelige rivetest - særligt skal vurderes værdien af konstruktionselementet, som er blevet boret eller hvis tværsnit har undergået andre ændringer. Modstanden af en boret stang til hyppige belastninger er meget lavere end modstanden af en uboret stang, da spændingstærskler vises ved hullets kanter. Spændingen ved kanten af hullet, hvis den er forårsaget af hyppige belastninger, vil altid være væsentligt højere end den gennemsnitlige belastning. Konsekvensen er, at borede bygningselementer under hyppige belastninger viser langt mindre styrke end ikke-borede elementer.
En sidste bemærkning om træthed: Udmattelsesrevner kan forekomme ved spændinger, der er lavere end dem, der forårsager synlig plastisk deformation. Huller, svejsede detaljer, pludselige ændringer i snit, korrosion og skader ændrer kategorien af detaljer og levetid. Bygninger under gentagen belastning kræver en særlig udmattelsesberegning, en inspektionsplan og en sagkyndig vurdering af hver enkelt påvist revne.