Odborný obsah archívu: článok zachováva historické označenia, tabuľky a tvrdenia o zložení a mechanických vlastnostiach ocele, nie je však platnou normou, špecifikáciou materiálu, certifikátom, konštrukčným výpočtom ani návodom na tepelné spracovanie a skúšanie. Konštrukčné hodnoty závisia od presne identifikovaného typu a šarže ocele, výrobných podmienok, hrúbky, teploty, zvariteľnosti, húževnatosti, únavy a použiteľnej normy. Ložiskový materiál musí mať vysledovateľnú dokumentáciu a musí byť vybraný a kontrolovaný zodpovedným odborníkom.
Dnes sa Savo Kusić zameriava na drevené okná, drevo-hliníkové okná, vlastné okná, dvere a žiadosti o cenovú ponuku. Tento článok zostáva ako historický archív a nepredstavuje ponuku na výrobu výstuže, projektovanie alebo skúšanie oceľových konštrukcií.
Zloženie a historické značky stavebnej ocele
Tavením železných rúd zmiešaných s palivami a pridaním nečistôt – zvyčajne vápenca – ako aj zavedením ohriateho vzduchu pod tlakom do vysokej pece sa získava surové železo. Surové železo obsahuje viac ako 1,7% uhlíka; nedá sa kovať, valcovať, dlabať ani lisovať – preto sa nedá rôznymi spôsobmi tvarovať. Tepané železo sa vyrába zo surového železa fúkaním vzduchu v základnom konvertore, alebo zo železného šrotu a surového železa v peci (Siemens-Martinova pec). Valcovaním, lisovaním a kovaním sa z neho dajú vytvárať rôzne tvary. Všetko kujné železo sa nazýva oceľ.
Historické tabuľky: Staré označenia ocele, normy, prídavky a postupy ohýbania v uvedených tabuľkách sa nesmú použiť na zdroj, identifikáciu alebo veľkosť dnešného materiálu. Platná je len etiketa a dokumentácia dodanej šarže s kontrolou rovnocennosti podľa dohodnutej a platnej normy.
Chemické zloženie stavebnej ocele
Technické železo nie je čisté železo, ale zliatina základných prvkov železa a uhlíka, najčastejšie s prídavkom mangánu, kremíka, fosforu, sumboru a medi, menej často s hliníkom, chrómom, niklom, molybdénom a pod.. Najdôležitejšou prímesou je uhlík. Medza klzu a pevnosť v ťahu roztavenej ocele sa zvyšujú so zvyšujúcim sa obsahom uhlíka, kým sa nedosiahne približne 0,9% uhlíka; predĺženie pri pretrhnutí sa znižuje so zvyšujúcim sa obsahom uhlíka. S oceľou s vysokým obsahom uhlíka sa musí zaobchádzať opatrnejšie pri vyrovnávaní, ohýbaní, vybočovaní atď.
Stavebná oceľ St37.12spravidla obsahujú0,08-0,15%uhlíka, potom cca0,5%mangán, až0,3%kremíka. Obsah fosforu a síry musí byť nízky; to sumy resp0,09%a0,05%. Spravidla je viac medi0,2%.
Pri hodnotení výsledkov chemických analýz je potrebné dbať na to, či ide o analýzy z tavenín alebo analýzy valcovaného tovaru; v druhom prípade je dôležité, či sa údaje o vzorke vzťahujú na vzorky pochádzajúce z celého rezu, alebo na vzorky odobraté z konkrétneho miesta (z jadra, z okraja, z jedného konca).
Oceľová konštrukcia, kalenie, popúšťanie a žíhanie
Pozorovanie štruktúry sa vykonáva na rovných, starostlivo spracovaných, brúsených a leštených povrchoch, ktoré sú spravidla korodované kyselinami. V určitých prípadoch (napr. na prehriatej oceli) možno na pripravených vzorkách rozoznať zrná ocele voľným okom.
Na obrázku 1 je znázornená štruktúra pomaly chladenej ocele s obsahom uhlíka približne 0,1% a na obrázku 2 je znázornená štruktúra pomaly chladenej ocele s obsahom uhlíka približne 0,3%. Ľahké zrná sú bez uhlíka a pozostávajú hlavne z čistého železa (odtiaľ názov ferit); pri veľkom zväčšení sa tmavé oblasti javia ako pruhované (perlit). Pod mikroskopom je možné rozpoznať, že tmavé škvrny pozostávajú z tvrdších a mäkších vrstiev; tvrdšími vrstvami sú karbid železa (Fe3C), nazývaný cementit, ktorý je vložený do mäkšieho feritu. Lokálne - kryštály vzniknuté pri vysokej teplote sa pri postupnom ochladzovaní rozpadajú. Náhle ochladenie horúcej ocele zabraňuje rozpadu kryštálov. Ak sa na druhej strane uskutoční náhle ochladenie pred začatím transformácie tuhého roztoku, potom roztok - ktorý inak môže existovať len pri vysokých teplotách - sa bude naďalej udržiavať pri teplote miestnosti. V tomto prípade nezískame materiál, ktorého uhlík je rozmiestnený vo forme škvŕn, ale materiál s rovnomerne rozloženým uhlíkom. Oceľ v tomto stave vykazuje oveľa vyššiu medzu klzu a vyššiu pevnosť v ťahu ako pomaly chladená oceľ rovnakého chemického zloženia, ale tiež vykazuje menšiu obrobiteľnosť; takav čelik se naziva kaljeni čelik.
Je prirodzené, že chladiaci efekt je najvýraznejší na povrchoch, pričom smerom dovnútra slabne, čo má veľký význam pre použitie ocele. Kalená oceľ obsahuje vysoké vnútorné napätia.
Laboratórne a tepelné postupy: metalografické leptanie, zahrievanie, temperovanie a žíhanie vyžaduje kontrolované laboratórium alebo dielňu, identifikovaný materiál, vhodné vybavenie a ochranu. Nesprávne tepelné spracovanie môže spôsobiť praskliny, deformácie, stratu húževnatosti a vysoké zvyškové napätia.
Správanie ocele počas skúšky v ťahu
1. Bežné konštrukčné ocele vo valcovanom stave
Z ťahovej skúšky možno v prvom rade určiť modul pružnosti E pre celkové aj elastické predĺženia. Modul pružnosti ocele je 200 GPa.
Trvalé predĺženia sa vyskytujú pri nízkych napätiach, ale v stavebníctve nemajú osobitný význam. Obyčajná oceľ začína „tečať“ pri zaťažení, ktoré pre komerčnú stavebnú oceľ St 37 a betónovú oceľ I väčšinou prekračuje 0,24 GPa a na veľkých úsekoch môže táto hodnota klesnúť až na 0,18 GPa. V dôsledku poddajnosti dochádza k veľkým trvalým deformáciám a „čarám ťažnosti“. Čiara diagramu predĺženia ocele (obrázok nižšie) ukazuje, že bola prekročená medza klzu (pri zaťažení ťahom sa táto hranica nazýva aj medza klzu).
Pri prekročení medze natiahnutia výstuže v zóne ťahu pri železobetónových nosníkoch dochádza v oceli k výraznému predĺženiu, čím sa v zóne ťahu nosníka vytvárajú trhliny a ohyby, čo zhoršuje nosnosť nosníka. Na oceliach s vysokým obsahom uhlíka, na kalených oceliach a vo všeobecnosti na neželezných kovoch sa charakteristická medza klzu znázornená na obrázku vyššie neobjaví; permanentné predĺženia sa vo všeobecnosti zvyšujú a neexistuje zreteľná medza klzu. V takýchto prípadoch sa spravidla predpokladá, že medza klzu sa rovná zaťaženiu, pri ktorom dôjde k trvalému predĺženiu 0,2%.
Hodnoty nie sú návrhové údaje: modul pružnosti, medza klzu, pevnosť a ťažnosť v texte sú prenesené z historického zdroja. Pre výpočet sa berú charakteristické a návrhové hodnoty presnej modernej triedy, hrúbky a stavu dodávky spolu s príslušnými čiastkovými súčiniteľmi, toleranciami a požiadavkami na húževnatosť, zvariteľnosť a únavu.
2. Ocele ťahané za studena
V každej oceľovej tyči, ktorá je narovnávaná alebo ohýbaná, sa lokálne vyskytuje oceľ ťahaná za studena. Pritom je oceľ lokálne namáhaná za hranicou klzu; na ťahanej časti sa zvyšuje limit ťahania. Ak je tyč z obyčajnej ocele zaťažená ťahom, kým sa neprekročí medza klzu, pri opätovnom zaťažení sa zistí, že hodnota medze klzu sa zvýšila. Čím dlhší je časový interval „pauzy“ medzi dvoma zaťaženiami, tým viac sa zvýši medza klzu.
Navyše, keďže počas preťahovania za studena sa priemer tiež zmenšuje úmerne k predĺženiu tyče, takže oceľ, ktorá bola pred testom vystavená značnému preťahovaniu, bude vykazovať výrazne vyššiu medzu klzu a pevnosť v ťahu ako oceľ, ktorá nebola pretiahnutá; zároveň bude vykazovať menšiu odolnosť voči nárazu.
Ťahanie za studena sa používa pri výrobe betónových ocelí IIb, IIIb a IVb (tor-oceľ, oceľové konštrukčné pletivo), ako aj pri výrobe drôtov pre predpätú výstuž a lán závesných mostov.
Práca za studena a výstuž: Historické akosti a popisy ťahané za studena neindikujú moderný produkt. Ohýbanie, vyrovnávanie, opätovné ohýbanie, zváranie alebo zahrievanie výstuže môže zmeniť vlastnosti a je povolené len vtedy, ak to povoľuje produktová dokumentácia, dizajn a platná norma.
Správanie ocele počas tlakovej skúšky
To, čo bolo povedané o elasticite a o hranici ťahu roztavenej ocele, platí v zodpovedajúcom zmysle pre tlakové zaťaženie. Hodnoty medze klzu konštrukčnej ocele (v prípade tlaku sa nazýva medza klzu) získané pri skúške tlakom a skúške ťahom sa príliš nelíšia. Avšak pod tlakom je zvýšenie zaťaženia nad hranicu drvenia možné len s veľmi krátkymi prvkami.
Pre štíhle prúty platia zákony vzpierania. Zároveň treba v prvom rade brať do úvahy vhodné predpoklady, či už ide o spôsob podoprenia a zovretia koncov tyče, alebo o odchýlky osi tyče od stanovenej polohy.
Lisované prvky: samotná pevnosť materiálu neurčuje nosnosť tyče. Štíhlosť, počiatočné zakrivenie, zvyškové napätia, lokálne a globálne vybočenie, podpery, spoje a nedokonalosti musia byť zahrnuté do výpočtu betónového prvku.
Správanie ocele pri skúške ohybom
Pokiaľ ide o medzu klzu (pozorovanú zvonka veľkými priehybmi podpier alebo líniami klzu), je dôležité, aby sa vyskytla počas skúšky ohybom pri mierne nižších, ale vyšších napätiach, ako sú tie, ktoré sa získajú pri skúšaní pevnosti v ťahu skúšobnej tyče. Po prekročení medze klzu ocele v ťahových zónach podpier možno zvýšiť zaťaženia, ak sú podpery dostatočne zabezpečené proti vybočeniu alebo skrúteniu.
Skúška ohybom: fotografia ukazuje laboratórny postup, nie kritériá prijatia produktu. Geometria vzorky, podpery, rýchlosť, teplota, smer valcovania a kritériá zrnitosti musia zodpovedať použitej norme a presnému typu ocele.
Únavová pevnosť ocele
Pevnostné vlastnosti stanovené počas bežných skúšok ťahom, tlakom alebo ohybom poskytujú podrobné informácie o správaní ocele pri statickom zaťažení. Zároveň je potrebné vziať do úvahy, že medza klzu pri dlhodobom statickom zaťažení bude o niečo nižšia ako limit získaný bežným skúšaním až do porušenia. Ak po statickom zaťažení nasledujú časté zaťaženia (napr. mosty, žeriavové dráhy, vozidlá), alebo ak vôbec pôsobia len časté zaťaženia, potom údaje o materiáli možno získať len na základe jeho správania za podmienok, ktoré najviac zodpovedajú praktickým podmienkam. Preto sa ocele pre konštrukčné prvky, ktoré budú vystavené najmä pohyblivému zaťaženiu, testujú častým zaťažením.
Najčastejšie sa súčasne vyskytujú stacionárne a pohyblivé zaťaženia. Nasledujúce príklady načrtávajú podstatu problému. Tyče zobrazené na obrázku1sú vyrobené z rovnakého materiálu a odliate z rovnakej tyče. Spodná tyč sa postupným zaťažovaním pomaly ohýba; preto by sa mohla ohnúť. Horná tyč je opakovane vystavená opakovanému zaťaženiu, pričom namáhania sú oveľa nižšie ako tie, ktoré prevládajú v prvej tyči. Po určitom čase sa horná tyč zlomila bez toho, aby sa v okolí zlomu prejavila trvalá deformácia. Podľa toho správanie materiálu pri porušení výrazne závisí od spôsobu pôsobenia zaťaženia. Uvedený príklad, ktorý sa týka ohybových zaťažení, je charakteristický aj pre iné typy zaťažení. Na obrázkoch2a3sú uvedené príklady ťahových skúšok; obrázok2odkazuje na jednoduchý príklad testu roztrhnutia a Obr3na jednosmerné premenlivé ťahové skúšky.
Pri aplikácii týchto skutočností je dôležité, že okrem správania sa pri bežnej trhacej skúške treba vyhodnotiť najmä hodnotu konštrukčného prvku, ktorý bol vŕtaný alebo ktorého prierez prešiel inými zmenami. Odolnosť vŕtanej tyče voči častému zaťaženiu je oveľa nižšia ako odolnosť nevŕtanej tyče, pretože na okrajoch otvoru sa objavujú prahové hodnoty napätia. Napätie na okraji otvoru, ak je spôsobené častým zaťažením, bude vždy výrazne vyššie ako priemerné napätie. Dôsledkom toho je, že vŕtané stavebné prvky pri častom zaťažení vykazujú oveľa menšiu pevnosť ako nevŕtané prvky.
Záverečná poznámka k únave: únavové praskanie sa môže vyskytnúť pri namáhaní nižších ako tie, ktoré spôsobujú viditeľnú plastickú deformáciu. Diery, zvárané detaily, náhle zmeny prierezu, korózia a poškodenia menia kategóriu detailov a životnosť. Konštrukcie pri opakovanom zaťažení vyžadujú špeciálny výpočet únavy, kontrolný plán a odborné posúdenie každej zistenej trhliny.