Archiefexpertinhoud: het artikel behoudt historische aanduidingen, tabellen en beweringen over de samenstelling en mechanische eigenschappen van staal, maar is geen geldige standaard, materiaalspecificatie, certificaat, constructieberekening of warmtebehandelings- en testinstructie. Ontwerpwaarden zijn afhankelijk van het nauwkeurig geïdentificeerde type en de partij staal, productieomstandigheden, dikte, temperatuur, lasbaarheid, taaiheid, vermoeiing en toepasselijke norm. Het lagermateriaal moet traceerbare documentatie hebben en worden geselecteerd en gecontroleerd door een verantwoordelijke deskundige.
Savo Kusić richt zich vandaag op houten ramen, hout-aluminium ramen, op maat gemaakte ramen, deuren en offerteaanvragen. Dit artikel blijft een historisch archief en vormt geen aanbod voor de vervaardiging van wapening, ontwerp of testen van staalconstructies.
Samenstelling en historische kenmerken van constructiestaal
Door ijzererts vermengd met brandstoffen te smelten, en door onzuiverheden (meestal kalksteen) toe te voegen, en door verwarmde lucht onder druk in een hoogoven te brengen, wordt ruwijzer verkregen. Ruwijzer bevat meer dan 1,7% koolstof; het kan niet worden gesmeed, gerold, gebeiteld of geperst - daarom kan het niet op verschillende manieren worden gevormd. Smeedijzer wordt geproduceerd uit ruwijzer door lucht te blazen in een basisomvormer, of uit schroot en ruwijzer in een oven (Siemens-Martin-oven). Door walsen, persen en smeden kunnen er verschillende vormen van gemaakt worden. Al het smeedijzer heet steel.
Historische tabellen: De oude staalsoorten, normen, toegestane waarden en buigprocedures in de getoonde tabellen mogen niet worden gebruikt om het hedendaagse materiaal te verkrijgen, identificeren of op maat te maken. Alleen het etiket en de documentatie van de geleverde partij zijn geldig, met een controle op gelijkwaardigheid volgens de overeengekomen en geldende norm.
Chemische samenstelling van constructiestaal
Technisch ijzer is geen puur ijzer, maar een legering van de basiselementen ijzer en koolstof, meestal met toevoeging van mangaan, silicium, fosfor, sumbor en koper, en minder vaak met aluminium, chroom, nikkel, molybdeen, enz. Het belangrijkste mengsel is koolstof. De vloeigrens en treksterkte van gesmolten staal nemen toe met toenemend koolstofgehalte totdat ongeveer 0,9% koolstof wordt bereikt; de rek bij breuk neemt af naarmate het koolstofgehalte toeneemt. Er moet voorzichtiger worden omgegaan met staal met een hoog koolstofgehalte bij het rechttrekken, buigen, knikken, enz.
Constructiestaal St 37.12 bevat in de regel 0,08-0,15% koolstof, daarna ongeveer 0,5% mangaan, tot 0,3% silicium. Het gehalte aan fosfor en zwavel moet laag zijn; het bedraagt respectievelijk 0,09% en 0,05%. In de regel zit er koper over 0,2%.
Bij het evalueren van de resultaten van chemische analyses moet erop worden gelet of het analyses zijn van smeltingen of analyses van gewalste goederen; voor dit laatste is het van belang of de monstergegevens betrekking hebben op monsters afkomstig uit de gehele sectie, of op monsters genomen op een specifieke plek (vanuit de kern, vanaf de rand, vanaf één uiteinde).
Staalstructuur, harden, ontlaten en gloeien
De observatie van de structuur wordt uitgevoerd op vlakke, zorgvuldig bewerkte, geslepen en gepolijste oppervlakken die in de regel door zuren zijn aangetast. In bepaalde gevallen (bijvoorbeeld bij oververhit staal) kunnen staalkorrels met het blote oog worden herkend op voorbereide monsters.
De afbeelding 1 toont de structuur van een langzaam gekoeld staal met een koolstofgehalte van ongeveer 0,1%, en de afbeelding 2 toont de structuur van een langzaam gekoeld staal met een koolstofgehalte van ongeveer 0,3%. Lichte korrels zijn koolstofvrij en bestaan voornamelijk uit puur ijzer (vandaar de naam ferriet); bij sterke vergroting verschijnen donkere gebieden gestreept (perliet). Onder de microscoop is te herkennen dat de donkere vlekken uit hardere en zachtere lagen bestaan; de hardere lagen zijn ijzercarbide (Fe3C), cementiet genoemd, dat is ingebed in het zachtere ferriet. Lokaal - kristallen gevormd bij hoge temperatuur vallen uiteen bij geleidelijke afkoeling. Plotselinge afkoeling van het hete staal voorkomt dat de kristallen uiteenvallen. Als daarentegen plotselinge afkoeling wordt uitgevoerd voordat de transformatie van de vaste oplossing begint, zal de oplossing - die anders alleen bij hoge temperaturen kan bestaan - op kamertemperatuur worden gehouden. In dit geval verkrijgen we geen materiaal waarvan de koolstof is verdeeld in de vorm van vlekken, maar een materiaal met gelijkmatig verdeelde koolstof. Staal vertoont in die toestand een veel hogere vloeigrens en hogere treksterkte dan langzaam gekoeld staal met dezelfde chemische samenstelling, maar vertoont ook minder bewerkbaarheid; dergelijk staal wordt gehard staal genoemd.
Het is logisch dat het koeleffect het meest uitgesproken is op de oppervlakken, terwijl het naar binnen toe zwakker wordt, wat van groot belang is voor het gebruik van staal. Gehard staal bevat hoge interne spanningen.
Laboratorium- en thermische procedures: etsen, verwarmen, temperen en gloeien metallografisch zuur vereisen een gecontroleerd laboratorium of werkplaats, geïdentificeerd materiaal, geschikte apparatuur en bescherming. Een onjuiste warmtebehandeling kan scheuren, vervormingen, verlies aan taaiheid en hoge restspanningen veroorzaken.
Gedrag van staal tijdens trekproeven
1. Gewoon constructiestaal in gewalste toestand
Uit de trekproef kan in de eerste plaats de elasticiteitsmodulus E worden bepaald voor zowel totale als elastische rek. De elasticiteitsmodulus van staal is 200 GPa.
Permanente verlengingen komen voor bij lage spanningen, maar zijn in de constructie niet van bijzonder belang. Gewoon staal begint te “vloeien” onder belastingen die voor commercieel constructiestaal St 37 en betonstaal I meestal 0,24 GPa overschrijden, en in grote secties kan deze waarde dalen tot 0,18 GPa. Als gevolg van het meegeven treden grote blijvende vervormingen en “vloeilijnen” op. De lijn van het staalrekdiagram (foto hieronder) laat zien dat het vloeipunt is overschreden (bij trekbelasting wordt deze limiet ook wel het vloeipunt genoemd).
Wanneer bij balken van gewapend beton de rekgrens van de wapening in de trekzone wordt overschreden, treden er aanzienlijke verlengingen op in het staal, waardoor er scheuren en buigingen ontstaan in de trekzone van de balk, waardoor het draagvermogen van de balk wordt aangetast. Op staalsoorten met een hoog koolstofgehalte, op geharde staalsoorten en in het algemeen op non-ferrometalen komt het karakteristieke vloeipunt uit de bovenstaande afbeelding niet voor; permanente verlengingen nemen over het algemeen toe, en er is geen duidelijk vloeipunt. In dergelijke gevallen wordt in de regel aangenomen dat de vloeigrens gelijk is aan de belasting waarbij een blijvende rek van 0,2%.
Waarden zijn geen ontwerpgegevens: elasticiteitsmodulus, vloeigrens, sterkte en rek in de tekst zijn overgenomen uit een historische bron. Voor de berekening worden de karakteristieke en ontwerpwaarden van de exacte moderne klasse, dikte en leveringstoestand genomen, samen met de relevante deelfactoren, toleranties en eisen voor taaiheid, lasbaarheid en vermoeiing.
2. Koudgetrokken staal
In elke stalen staaf die wordt rechtgetrokken of gebogen, komt plaatselijk koudgetrokken staal voor. Daarbij wordt het staal plaatselijk tot voorbij de vloeigrens belast; op het getekende onderdeel wordt de tekenlimiet verhoogd. Als een gewone stalen staaf onder spanning wordt belast totdat de vloeigrens wordt overschreden, wordt bij het herladen waargenomen dat de waarde van de vloeigrens is toegenomen. Hoe langer het “pauze”-tijdsinterval tussen twee belastingen, hoe meer de vloeigrens zal toenemen.
Bovendien, aangezien tijdens het koud uitrekken de diameter ook afneemt in verhouding tot de verlenging van de staaf, zal het staal dat vóór de test aan aanzienlijke rek werd blootgesteld, een aanzienlijk hogere vloeigrens en treksterkte vertonen dan staal dat niet is uitgerekt; tegelijkertijd zal het minder slagvastheid vertonen.
Koudtrekken wordt gebruikt bij de productie van betonstaal IIb, IIIb en IVb (tor-staal, stalen constructiegaas), evenals bij de productie van draden voor voorgespannen wapening en touwen van hangbruggen.
Koud werk en versterking: Historische koudgetrokken kwaliteiten en beschrijvingen zijn niet indicatief voor moderne producten. Het buigen, rechttrekken, opnieuw buigen, lassen of verwarmen van de wapening kan de eigenschappen veranderen en is alleen toegestaan als dit is toegestaan door de productdocumentatie, het ontwerp en de toepasselijke norm.
Staalgedrag tijdens druktesten
Wat gezegd is over de elasticiteit en over de trekgrens van het gesmolten staal geldt in overeenkomstige zin voor de drukbelasting. De waarden van de vloeigrens van constructiestaal (in het geval van druk wordt dit de vloeigrens genoemd) verkregen tijdens de drukproef en de trekproef verschillen niet veel. Onder druk is een toename van de belasting tot boven de breekgrens echter alleen mogelijk met zeer korte elementen.
Voor slanke hengels zijn de wetten van knik van toepassing. Tegelijkertijd moet in de eerste plaats rekening worden gehouden met passende aannames, of deze nu betrekking hebben op de manier waarop de uiteinden van de staaf worden ondersteund en vastgeknepen, of op afwijkingen van de as van de staaf ten opzichte van de vastgestelde positie.
Geperste elementen: de sterkte van het materiaal alleen bepaalt niet het draagvermogen van de staaf. Slankheid, initiële kromming, restspanningen, lokale en globale knik, steunen, verbindingen en onvolkomenheden moeten worden meegenomen in de berekening van het betonelement.
Gedrag van staal tijdens buigtest
Wat betreft het vloeipunt (van buitenaf waargenomen door de grote doorbuigingen van de steunen of door de vloeilijnen), is het belangrijk dat dit tijdens de buigtest zal optreden bij iets lagere maar hogere spanningen dan die verkregen bij het testen van de treksterkte van de proefstaaf. Na het overschrijden van de vloeigrens van het staal in de trekzones van de steunen kunnen de belastingen worden verhoogd als de steunen voldoende zijn beveiligd tegen knikken of torderen.
Buigtest: foto toont laboratoriumprocedure, niet productacceptatiecriteria. De geometrie van het proefstuk, de ondersteuningen, de snelheid, de temperatuur, de walsrichting en de sorteercriteria moeten overeenkomen met de toegepaste norm en het exacte type staal.
Vermoeiingssterkte van staal
Sterkte-eigenschappen bepaald tijdens gewone trek-, druk- of buigtests bieden gedetailleerde informatie over het gedrag van staal onder statische belasting. Tegelijkertijd moet er rekening mee worden gehouden dat de vloeigrens tijdens langdurige statische belasting iets lager zal zijn dan de limiet die wordt verkregen door gewone tests tot bezwijken. Als statische belastingen worden gevolgd door frequente belastingen (bijvoorbeeld bruggen, kraanbanen, voertuigen), of als er alleen maar frequente belastingen optreden, kunnen gegevens over het materiaal alleen worden verkregen op basis van het gedrag ervan onder omstandigheden die het meest overeenkomen met praktische omstandigheden. Daarom worden staalsoorten voor constructie-elementen, die voornamelijk zullen worden blootgesteld aan bewegende belastingen, getest door frequente belasting.
Meestal komen stationaire en bewegende belastingen tegelijkertijd voor. De volgende voorbeelden schetsen de essentie van het probleem. Staven getoond op de foto1ze zijn gemaakt van hetzelfde materiaal en gegoten uit dezelfde staaf. De onderste staaf wordt langzaam gebogen door geleidelijke belasting; daarom kan het gebogen zijn. De bovenste staaf wordt herhaaldelijk onderworpen aan herhaalde belasting, met spanningen die veel lager zijn dan die welke heersen in de eerste staaf. Na enige tijd brak de bovenste staaf zonder enige blijvende vervorming rondom de breuk te vertonen. Volgens dit hangt het gedrag van het materiaal bij bezwijken in belangrijke mate af van de manier waarop de belasting wordt uitgeoefend. Het bovenstaande voorbeeld, dat betrekking heeft op de buigbelasting, is ook typerend voor andere soorten belastingen. Op de foto’s2En3er worden voorbeelden van trekproeven getoond; afbeelding2verwijst naar een eenvoudig voorbeeld van een scheurtest, en Fig3tot unidirectionele variabele trekproeven.
Wat betreft de toepassing van deze feiten is het belangrijk dat - afgezien van het gedrag dat wordt getoond tijdens de gewone scheurtest - vooral de waarde van een constructie-element, waarin is geboord of waarvan de doorsnede andere veranderingen heeft ondergaan, in het bijzonder moet worden geëvalueerd. De weerstand van een geboorde staaf tegen frequente belastingen is veel lager dan de weerstand van een ongeboorde staaf, omdat er spanningsdrempels aan de randen van het gat verschijnen. De spanning aan de rand van het gat zal, indien veroorzaakt door frequente belastingen, altijd aanzienlijk hoger zijn dan de gemiddelde spanning. Het gevolg is dat geboorde constructie-elementen onder frequente belasting veel minder sterkte vertonen dan niet-geboorde elementen.
Een laatste opmerking over vermoeiing: Vermoeiingsscheuren kunnen optreden bij spanningen die lager zijn dan die welke zichtbare plastische vervorming veroorzaken. Gaten, gelaste details, plotselinge veranderingen in doorsnede, corrosie en schade veranderen de categorie van details en levensduur. Constructies die herhaaldelijk worden belast, vereisen een speciale vermoeiingsberekening, een inspectieplan en een deskundige beoordeling van elke gedetecteerde scheur.