Arhivski stručni sadržaj: Članak čuva povijesne oznake, tablice i tvrdnje o sastavu i mehaničkim svojstvima čelika, ali nije važeći standard, specifikacija materijala, potvrda, proračun konstrukcije ili upute za toplinsku obradu i ispitivanje. Projektne vrijednosti ovise o točno određenoj vrsti i šarži čelika, uvjetima proizvodnje, debljini, temperaturi, zavarljivosti, žilavosti, zamoru i primjenjivom standardu. Materijal za ležaj mora imati sljedivu dokumentaciju i mora biti odabran i provjeren od strane odgovornog stručnjaka.
Savo Kusić danas se fokusira na drvene prozore, drvo-aluminijske prozore, prozore po narudžbi, vrata i zahtjeve za ponudu. Ovaj članak ostaje kao povijesni arhiv i ne predstavlja ponudu proizvodnje armature, projektiranja ili ispitivanja čeličnih konstrukcija.
Sastav i povijesne oznake građevinskog čelika
Taljenjem željezne rude pomiješane s gorivima, te uz dodatak nečistoća - obično vapnenca - kao i uvođenjem zagrijanog zraka pod pritiskom u visoku peć, dobiva se sirovo željezo. Sirovo željezo sadrži više od 1,7% ugljika; ne može se kovati, valjati, klesati ili prešati - dakle, ne može se oblikovati na razne načine. Kovano željezo se proizvodi od sirovog željeza upuhivanjem zraka u baznom konverteru ili od starog željeza i sirovog željeza u peći (Siemens-Martinova peć). Od njega se valjanjem, prešanjem i kovanjem mogu stvarati različiti oblici. Sve kovano željezo naziva se čelik.
Povijesne tablice: Stare vrste čelika, standardi, dopuštene vrijednosti i postupci savijanja u prikazanim tablicama ne smiju se koristiti za izvor, identifikaciju ili veličinu današnjeg materijala. Važeća je samo etiketa i dokumentacija isporučene serije, uz provjeru istovjetnosti prema dogovorenom i važećem standardu.
Kemijski sastav građevinskog čelika
Tehničko željezo nije čisto željezo, već legura osnovnih elemenata željeza i ugljika, najčešće s dodatkom mangana, silicija, fosfora, sumbora i bakra, a rjeđe s aluminijem, kromom, niklom, molibdenom i dr. Najvažnija primjesa je ugljik. Granica tečenja i vlačna čvrstoća rastaljenog čelika rastu s povećanjem sadržaja ugljika sve dok se ne postigne otprilike 0,9% ugljik; rastezanje pri prekidu smanjuje se s povećanjem sadržaja ugljika. Čelikom s visokim udjelom ugljika mora se postupati pažljivije prilikom ravnanja, savijanja, izvijanja itd.
Građevinski čelici St 37.12 u pravilu sadrže 0,08-0,15% ugljik, zatim oko 0,5% mangan, do 0,3% silicij. Sadržaj fosfora i sumpora mora biti nizak; iznosi 0,09% odnosno 0,05%. U pravilu ima bakra preko 0,2%.
Pri ocjeni rezultata kemijskih analiza mora se voditi računa radi li se o analizama talina ili analizama valjane robe; za potonje je važno odnosi li se podatak o uzorku na uzorke koji potječu iz cijele sekcije ili na uzorke uzete s određenog mjesta (iz jezgre, s ruba, s jednog kraja).
Čelična struktura, kaljenje, popuštanje i žarenje
Promatranje strukture provodi se na ravnim, pažljivo obrađenim, brušenim i poliranim površinama koje su u pravilu nagrizene kiselinama. U određenim slučajevima (npr. na pregrijanom čeliku), zrnca čelika mogu se prepoznati golim okom na pripremljenim uzorcima.
Slika 1 prikazuje strukturu sporo hlađenog čelika s udjelom ugljika od oko 0,1%, a slika 2 prikazuje strukturu sporo hlađenog čelika s udjelom ugljika od oko 0,3%. Lagana zrna su bez ugljika i sastoje se uglavnom od čistog željeza (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. Lokali - kristali nastali na visokoj temperaturi raspadaju se postupnim hlađenjem. Naglo hlađenje vrućeg čelika sprječava raspadanje kristala. Ako se pak izvrši naglo hlađenje prije početka transformacije krute otopine, tada će se otopina - koja inače može postojati samo na visokim temperaturama - nastaviti održavati na sobnoj temperaturi. U ovom slučaju ne dobivamo materijal čiji je ugljik raspoređen u obliku mrlja, već materijal s ravnomjerno raspoređenim ugljikom. Čelik u tom stanju pokazuje daleko veću granicu tečenja i veću vlačnu čvrstoću od sporo hlađenog čelika istog kemijskog sastava, ali također pokazuje manju obradivost; takav se čelik naziva kaljeni čelik.
Prirodno je da je učinak hlađenja najizraženiji na površinama, dok prema unutra slabi, što je od velike važnosti za upotrebu čelika. Ojačani čelik sadrži velika unutarnja naprezanja.
Laboratorijski i toplinski procesi: metalografsko jetkanje kiselinom, zagrijavanje, kaljenje i žarenje zahtijevaju kontrolirani laboratorij ili radionicu, identificirani materijal, odgovarajuću opremu i zaštitu. Neprikladna toplinska obrada može uzrokovati pukotine, deformacije, gubitak žilavosti i visoka zaostala naprezanja.
Ponašanje čelika tijekom ispitivanja rastezanja
1. Obični konstrukcijski čelici u valjanom stanju
Iz vlačnog ispitivanja, prvenstveno se može odrediti modul elastičnosti E i za ukupna i za elastična produljenja. Modul elastičnosti čelika je 200 GPa.
Trajna produljenja se javljaju pri niskim naponima, ali nisu od posebne važnosti u konstrukciji. Obični čelik počinje “teći” pod opterećenjima koja za komercijalni građevinski čelik St 37 i betonski čelik I uglavnom prelaze 0,24 GPa, au velikim presjecima ta se vrijednost može spustiti do 0,18 GPa. Kao posljedica popuštanja nastaju velike trajne deformacije i “linije popuštanja”. Linija dijagrama istezanja čelika (slika dolje) pokazuje da je granica razvlačenja prekoračena (kada je opterećen na napetost, ta se granica također naziva granica razvlačenja).
Kada se kod armiranobetonskih greda prekorači granica rastezanja armature u vlačnoj zoni, dolazi do značajnih istezanja u čeliku, pri čemu nastaju pukotine i savijanja u vlačnoj zoni grede, što narušava nosivost grede. Na čelicima s visokim sadržajem ugljika, na kaljenim čelicima i općenito na obojenim metalima, karakteristična granica razvlačenja prikazana na gornjoj slici se ne pojavljuje; trajna istezanja općenito se povećavaju i nema jasno izražene granice popuštanja. U takvim slučajevima, u pravilu se pretpostavlja da je granica razvlačenja jednaka opterećenju pri kojem dolazi do trajnog istezanja 0,2%.
Vrijednosti nisu projektni podaci: modul elastičnosti, granica razvlačenja, čvrstoća i istezanje u tekstu su preneseni iz povijesnog izvora. Za izračun se uzimaju karakteristične i projektne vrijednosti točne moderne klase, debljine i uvjeta isporuke, zajedno s 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. Pritom je čelik lokalno napregnut iznad granice razvlačenja; na nacrtanom dijelu povećava se granica crtanja. Ako se obična čelična šipka optereti na napetost dok se ne prekorači granica razvlačenja, kod ponovnog opterećenja uočava se da se vrijednost granice razvlačenja povećala. Što je duži vremenski interval “pauze” između dva opterećenja, to će se više povećati granica razvlačenja.
Osim toga, budući da se tijekom hladnog rastezanja promjer također smanjuje proporcionalno produljenju šipke, tako će čelik koji je bio izložen značajnom istezanju prije ispitivanja pokazati znatno veću granicu tečenja i vlačnu čvrstoću od čelika koji nije rastegnut; u isto vrijeme, pokazat će manju otpornost na udarce.
Hladno izvlačenje koristi se u proizvodnji betonskih čelika IIb, IIIb i IVb (tor-čelik, čelična konstrukcijska mreža), kao iu proizvodnji žice za prednapetu armaturu i užadi visećih mostova.
Hladni rad i ojačanje: Povijesne hladno vučene kvalitete i opisi nisu indikativni za moderne proizvode. Savijanje, ravnanje, ponovno savijanje, zavarivanje ili zagrijavanje armature može promijeniti svojstva i dopušteno je samo ako je to dopušteno dokumentacijom proizvoda, dizajnom i važećim standardom.
Ponašanje čelika tijekom ispitivanja tlakom
Ono što je rečeno o elastičnosti i o granici rastezanja rastaljenog čelika odnosi se u odgovarajućem smislu na tlačno opterećenje. Vrijednosti granice razvlačenja konstrukcijskog čelika (u slučaju tlaka naziva se granica tečenja) dobivene tijekom tlačnog ispitivanja i ispitivanja na vlak ne razlikuju se mnogo. Međutim, pod pritiskom, povećanje opterećenja iznad granice gnječenja moguće je samo s vrlo kratkim elementima.
Za vitke štapove vrijede zakoni izvijanja. Pri tome, u prvom redu, treba uzeti u obzir odgovarajuće pretpostavke, bilo da se one odnose na način oslanjanja i stezanja krajeva štapa, bilo da se radi o odstupanjima osi štapa od utvrđenog položaja.
Prešani elementi: sama čvrstoća materijala 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 granice tečenja (promatrane izvana prema velikim otklonima nosača ili linijama tečenja), važno je da će se ona dogoditi tijekom ispitivanja savijanjem pri nešto nižim, ali višim naprezanjima od onih dobivenih pri ispitivanju vlačne čvrstoće ispitne šipke. Nakon prekoračenja granice razvlačenja čelika u zonama zatezanja nosača, opterećenja se mogu povećati ako su nosači dovoljno osigurani od izvijanja ili uvijanja.
Test savijanja: fotografija prikazuje laboratorijski postupak, a ne kriterije prihvatljivosti proizvoda. Geometrija uzorka, nosači, brzina, temperatura, smjer valjanja i kriteriji ocjenjivanja moraju odgovarati primijenjenom standardu i točnoj vrsti čelika.
Čvrstoća čelika na zamor
Svojstva čvrstoće utvrđena tijekom uobičajenih ispitivanja na vlak, pritisak ili savijanje daju detaljne informacije o ponašanju čelika pod statičkim opterećenjem. Pritom treba uzeti u obzir da će granica razvlačenja tijekom dugotrajnog statičkog opterećenja biti nešto niža od granice dobivene uobičajenim ispitivanjem do sloma. 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 statička i pokretna opterećenja javljaju istovremeno. Sljedeći primjeri ocrtavaju suštinu problema. Šipke prikazane na slici 1 izrađene su od istog materijala i preuzete s iste šipke. Donja šipka se polako savija postupnim opterećenjem; dakle, mogao bi se saviti. Gornja šipka opetovano je podvrgnuta ponovljenom opterećenju, s naprezanjima daleko manjim od onih koja prevladavaju u prvoj šipki. Nakon nekog vremena gornja šipka je pukla bez ikakve trajne deformacije oko prijeloma. Sukladno tome, ponašanje materijala pri slomu značajno ovisi o načinu primjene opterećenja. Gornji primjer, koji se odnosi na opterećenje savijanja, tipičan je i za druge vrste opterećenja. Slike 2 i 3 prikazuju primjere ispitivanja zatezanja; Slika 2 odnosi se na jednostavan primjer testa trganja, a slika 3 na jednosmjerna ispitivanja varijabilne napetosti.
Što se tiče primjene ovih činjenica, važno je da se - osim ponašanja prikazanog tijekom običnog testa kidanja - posebno mora vrednovati vrijednost konstrukcijskog elementa koji je izbušen ili čiji je presjek pretrpio druge promjene. Otpornost izbušene šipke na česta opterećenja mnogo je niža od otpornosti neizbušene šipke, budući da se pragovi napona pojavljuju na rubovima rupe. Naprezanje na rubu rupe, ako je uzrokovano čestim opterećenjima, uvijek će biti znatno veće od prosječnog naprezanja. Posljedica je da izbušeni građevinski elementi pod čestim opterećenjima pokazuju daleko manju čvrstoću od neizbušenih elemenata.
Posljednja napomena o zamoru: do pucanja uslijed zamora može doći pri naprezanjima manjim od onih koja uzrokuju vidljivu plastičnu deformaciju. Rupe, zavareni detalji, nagle promjene presjeka, korozija i oštećenja mijenjaju kategoriju detalja i vijek trajanja. Konstrukcije pod opetovanim opterećenjem zahtijevaju poseban proračun zamora, plan pregleda i stručnu procjenu svake otkrivene pukotine.