ČELIČNE KONSTRUKCIJE 1. ČELIK KAO KONSTRUKTIVNI MATERIJAL U GRAĐEVINARSTVU • Čelik je moderan konstrukcioni materijal sa istorijom upotrebe od jedva preko 100 godina, ali sa jako dobrom perspektivom za bududu izgradnju. • Metali na bazi ruda gvožđa su poznati još iz antičkih vremena. • Gvožđe u svom izvornom obliku - Sumer. • Prva proizvodnja gvožđa - XVII vek pre nove ere na južnoj obali Crnog mora. • U srednjem veku Evropa i Azija (za izradu oružja).
• Vek pre otkrida čelika, u visokim pedima, uz pomod koksa, omogudava se masovna proizvodnja sirovog gvožđa koje, pretopljeno i prečišdeno u liveno gvožđe ubrzo postaje konstruktivni materijal za objekte u građevinarstvu. • Henry Cort 1793. godine patentira ’’puddel’’ proces za proizvodnju kovanog gvožđa, ili tzv. varenog gvožđa sa osobinama bliskim čeliku. • Godine 1855. Bessemer prvi počinje proizvodnju topljenog čelika uduvavaljem vazduha pod pritiskom u kruškaste konvertore. • 1880. Emile Martin, Thomas i Gilchrist, uvode neka poboljšanja u proces proizvodnje, čime je načinjen put ka pronalasku ’’modernog’’ čelika. U Britaniji se sredinom XIX veka godišnje proizvodi i do 60.000 tona čelika. 2
• U skladu sa propisima na početku dvadesetog veka, tadašnja industrija građevinskih materijala je toliko bila oduševljena ’’novim’’ materijalom, da se samo čelik mogao upotrebljavati u konstruktivne svrhe, bilo je zabranjeno izvođenje konstrukcija od gvožđa. • Čelik preuzima potpuni primat, kako je i danas. • Istorijski gledano, poslednjih 250 godina, u razvoju konstrukcija od gvožđa i čelika, može se razlikovati tri perioda: – Period livenog gvožđa 1780- 1850 – Period kovanog gvožđa 1850-1900 – Period čelika 1880- do danas 3
• I gvožđe i čelik u svom sastavu sadrže gvožđe (Fe) i ugljenik (C), kao i druge hemijske elemente u manjem procentu, koji mogu da se odstranjuju, ako su štetni, ili da se dodaju radi oplemenjivanja. • Na mikrostrukturu i karakteristike materijala najviše utiče ugljenik. – Liveno gvožđe obično sadrži oko 4 % ugljenika. – Čelik obično sadrži manje od 1 % ugljenika po masi. – Konstrukcioni čelik sadrži 0,25 % ugljenika, i do 1,5 % mangnana (Mn) . Može se legirati i sa hromom (Cr), niklom (Ni), molibdenom (Mo) i sl. Elementi kao što su sumpor (S), fosfor (P) i vododnik (H) mogu imati štetno dejstvo. 4
• Do poslednjih nekoliko decenija čelik se proizvodio u visokim pedima po SimensMartinovom postupku, dok se danas uz pomod novih tehnologija proizvodi u Linz Donawitz konverterima uz uduvavanje čistog kiseonika, u Ultra High Power (UHP) električnim pedima, visokim pedima sa električnim lukom (The Electrical Arc Furnace (EAF)), topioničkim pedima sa čistim kiseonikom i sl.
5
• Iz pedi ili konvertora se čelik izdvaja u lonce iz kojih dalje ide u kalupe ili kokile. Tu se formiraju poluproizvodi koji se nazivaju ingoti, slabovi, gredice, šipke ili blumovi, a u zavisnosti od dimenzija i oblika kalupa. • Daljom preradom deformacijom (valjanjevrude i hladno, kovanje, presovanje, izvlačenje) se dobijaju gotovi proizvodi.
6
• Od hemijskog sastava čeličnog proizvoda zavise i njegove osobine. Za čelik kao građevinski materijal najbitnije su njegove mehaničke osobine koje su važne za dimenzionisanje i nosivost, zatim tehnološke osobine, kao što su zavarljivost, otpornost prema prslinama i krtom lomu i sposobnost oblikovanja.
7
Šematski prikaz proizvodnje čelika 8
2. VRSTE ČELIČNIH PROIZVODA
A. VRUDE VALJANI PROIZVODI – štapovi – pljosnati čelik debljine od 3 do 100 mm, širine 8-150 mm i dužine 3-15m – SRPS C.B3.025. – univerzalni, široki pljosnati čelik debljine od 5 do 40 mm, širine 151-1110 mm i dužine 3-12m, SRPS C.B3.030. – ugaonici, ravnokraki i raznokraki, SRPS EN 10056-1 i SRPS EN 10056-2. – Tprofili – DIN 1024 i Z profili – DIN 1037. – mali I i U profili do 80 mm visine, po SRPS EN 10034 i SRPS EN 10024. – kružni čelik, prečnika 6-300 mm, dužine 3-15 m – SRPS C.B3.021. – kvadratni čelik, sa zaobljenim ivicama, dimenzija 8-125 mm, l= 315 m – SRPS C.B3.024. – šestougaoni čelik dimenzija 10-80 mm, l= 3-4 (8 po zahtevu) – SRPS C.B3.026. 9
– limovi – fini limovi, debljine od 0,4 do do 2,75 mm, dimenzija 1x2, 1x3,4x6m,...- SRPS EN 10029 i SRPS EN 10051. – srednji limovi, debljine od 3mm do 4,75 mm, dimenzija 1x2, 1x3,4x6m,... - SRPS EN 10029 i SRPS EN 10051. – grubi limovi, debljine od 5mm do 60 mm, dimenzija 1x2, 1x3,4x6m,... - SRPS EN 10029 i SRPS EN 10051. – rebrasti limovi u vidu romba ili suze, debljina 2,5 do 10 mm, dimenzija od 800mm do 1400 mm - DIN 59220.
10
– profilisani nosači – U i I preko 80 mm visine - SRPS EN 10034 i SRPS EN 10024, SRPS C.B3.141, DIN 1025 i DIN 1026 – IP – DIN 1025 – IPE– DIN 1025 – IPEO – IFB – SFB – HEA (IPB1) – DIN 1025 – HEM (IPB) – DIN 1025 – HEM (IPBv) – DIN 1025 – HD – HE/HL – HD
11
– šuplji profili – kružne bezšavne cevi – SRPR EN 10220 – kvadratne bezšavne cevi – SRPS EN 10305-5 i SRPS EN 10219-2 – pravougaone bezšavne cevi– SRPS EN 10305-5 i SRPS EN 10219-2
B. HLADNO OBLIKOVANI PROIZVODI – otvoreni profili - SRPS C.B5.213 – šuplji profili - SRPS C.B5.213 – profilisani limovi – SRPS EN 10130 – ravni limovi– SRPS EN 10130 i SRPS EN 10140
12
C.PROIZVODI ZA SPECIFIČNU NAMENU – sadasti profili – automatski zavareni profili – užad – kablovi – istegnuti metal – rešetkasta gazišta
13
D. MATERIJAL ZA SPAJANJE – zakivci – zavrtnjevi – navrtke – podloške – elektrode za zavarivanje – žice za zavarivanje
14
15
3. ČELIK KROZ KONSTRUKCIONU ANALIZU • ekonomičnost • brzina gradnje • mogu da prime i prenesu velika opteredenja, podnosedi velike raspone bez potrebe za međustubovima • lake, pratedi odnos težine prema rasponu, podnose i teže uslove fundiranja • prostor u tavanicama je često ispunjen instalacijama, uspešno rešavanje enterijera. 16
• vreme izgradnje je krade u odnosu na betonske konstrukcije (oplata, armatura, pravljenje i nalivanje betona, nega, demontaža oplate...) • rad u svim vremenskim uslovima koje omogudavaju zaštideni uslovi u radionicama za izradu konstrukcije • mogudnost demontaže celokupne konstrukcije kada za njom prestane potreba
17
4. SPOJNA SREDSTVA 4.1. Zakivci: vrste, konstrukcija i način izrade • Danas - samo za rekonstrukciju i ojačanje postojedih konstrukcija izrađenih zakivcima • U XIX i početkom XX veka bili gotovo nezamenljivi. • Izrađivali su se prvo od žilavog toljenog gvožđa, a zatim i od čelika sa zateznom čvrstodom fu=300-400 MPa, fu=380-470 MPa ili fu=440-540 MPa. 18
• Kod svakog zakivka se razlikuje gotova glava, vrat i završna glava. • Prema načinu izrade se razlikuju: – zakivci sa punom ili polukružnom glavom –SRPS M.B3.021 – zakivci sa poluupuštenom glavom – zakivci sa upuštemom glavom - SRPS M.B3.022
19
Polukružni zakivci (mere u mm) Prečnik rupe zakivka
11
14
17
20
23
26
29
Prečnik glave zakivka D
16
21
26
30
35
40
45
Visina glave zakivka K
6.5
8.5
10
12
14
16
18
8
11
13.5
15.5
18
20.5
23
55
75
90
115
135
150
-
Oznaka planovima
u u horizontalnoj projekciji
u vertikalnoj projekciji
Poluprečnik krivine glave zakivka
Krajnja dužina zakivka
Obeležavanje zakivaka
20
Poluupušteni zakivci (mere u mm) Prečnik rupe zakivka
11
14
17
20
23
26
29
Oznake u planovima gornja glava poluupuštena
donja glava poluupuštena Prečnik glave zakivka D Visina konusa K Ugao α
15.4
21
27
30
35
39.5
39.5
3.5
5
7
9.5
11
12.5
14
75
75
75
60
60
60
45
8
11
13.5
15.5
18
20.5
23
55
75
90
115
135
150
-
Poluprečnik krivine glave zakivka
Krajnja dužina zakivka
Obeležavanje zakivaka
21
Upušteni zakivci (mere u mm) Prečnik rupe zakivka
11
14
17
20
23
26
29
Oznake u planovima gornja glava poluupuštena
donja glava upuštena Prečnik glave zakivka D Visina konusa K Ugao α
15.4
21
27
30
35
39.5
39.5
3.5
5
7
9.5
11
12.5
14
75
75
75
60
60
60
45
8
11
13.5
15.5
18
20.5
23
55
75
90
115
135
150
-
Poluprečnik krivine glave zakivka
Krajnja dužina zakivka
Obeležavanje zakivaka 22
• Zakivci se zakivaju u usijanom stanju. Ugrađuju se u prethodno izbušene rupe uz pomod čekida ili prese za zakivanje. Presa vrši pritisak na glavu i vrat zakivka, dok se ne ispuni rupa u spoju, a zatim se oblikuje druga glava. Ne vrši se zakivanje u tzv. plavom usijanju, jer tada zakivak može da prsne. • U vezi sa zakivcima treba poznavati: – uticaj veličine prečnika zakivka – uticaj načina rasporeda zakivka – uticaj trenja na mod nošenja zakivka 23
• Pri računanju zakivaka u vezi potrebno je: – rasporediti zakivke tako da budu podjednako opteredeni – pretpostaviti da su pritisak po omotaču rupe i napon smicanja u vratu zakivka konstantne veličine – rasporediti zakivke tako da se štap koji se vezuje u svom preseku najmanje slabi.
• Podela sile među zakivcima nikad nije jednaka, ali se radi lakše računice, takva pretpostavka uvodi u proračun. 24
• Nosivost zakivaka u smičudem spoju: Fγ, dop. = min. {Fγ, Fb} gde su: Fγ- nosivost na smicanje Fb- nosivost po omotaču rupe – Nosivost na smicanje
Fγ= m Aγ,1 τdop. =
d 02 dop 4
gde su m-sečnost, m=1 za dva elementa u vezi, m=2 za tri elementa u vezi,... Aγ,1- prečnik vrata zakivka do- prečnik rupe za zakivak 25
– Nosivost po omotaču rupe Fb= min Ab σb,dop.= min Σt d0 σb,dop. gde su min Ab – min {Ab1, Ab,2} min Σt - min t1 za jednosečni zakivak t2
min Σt - min t1 t3 za dvosečni zakivak t2
26
• Broj raznih zakivaka po veličini prečnika, u jednoj konstrukciji, iz praktičnih razloga, treba da bude što manji. • Preko tri razne debljine zakivaka u jednoj konstrukciji treba izbegavati. • Minimalno odstojanje zakivaka od kraja konstruktivnog dela u pravcu sile treba da iznosi e1=2d, normalno na pravac sile e2=1,5d, dok je minimalno međusobno rastojanje e= 3d. 27
4.2. Zavrtnjevi: vrste, konstrukcija i način izrade – Prema arheološkim nalazima, prvi zavrtnjevi su bili korišdeni za spajanje delova pumpe za navodnjavanje Visedih vrtova Vavilona u VII veku pre nove ere. – Gvozdeni zavrtnjevi se u Evropi koriste od XV veka, kada liveno gvožđe počinje da se upotrebljava za izradu topova. – U XIX veku u upotrebi su bili zavrtnjevi sa prorezom, zavrtnjevi sa kvadratnom glavom i zavrtnjevi sa šestougaonom glavom. – Potiskuju ih zakivci koji su imali jednostavniju mašinsku izradu, međutim kada se početkom XX veka znatno pojednostavljuje proces izrade zavrtnjeva (zavrtanj sa šestougaonom glavom koji se i danas koristi u građevinarstvu-imbus pojavio se 1911. godine), oni ponovo preuzimaju primat i postaju nezamenljivo sredstvo za izradu montažnih nastavaka i veza. 28
• Za razliku od zakivaka, za čiju upotrebu je neophodno prisustvo presa i visoke temperature, kao i kvalifikovana radna snaga, zavrtnjevi se ugrađuju vrlo jednostavno zavrtanjem odgovarajudeg ključa-zavijača. • Od svih spojnih sredstava, jedino zavrtnjevi ne zavise od temperaure na ugradnji. • Za nesmetan rad u vezi, uz zavrtanj je obavezno dodati šestougaonu navrtku sa navojem na unutrašnoj strani otvora i podlošku. • SRPS ISO 898-1 definiše zavrtnjeve (vijke) sa utvrđenim osobinama za nosede čelične konstrukcije. Geometrijske mere su definisane u SRPS ISO 40144016. • Navrtke se definišu standardima SRPS ISO 4034 i SRPS ISO 4032, a podloške SRPS M.B2.015. 29
d
M12
M14
M16
M18
M20
M22
M24
M27
M30
30
34
38
42
46
50
54
60
66
40
44
48
52
56
60
66
69
73
79
b
M33
M36
72
78
84
85
91
97
emin.
19,85
22,78
26,17
29,56
32,95
37,29
39,55
45,20
50,85
55,37
60,79
k
4,94
5,85
6,48
7,42
8,12
9,17
9,87
11,27
12,36
13,97
15,02
l 55 60
65 70 80 90 100 110 120
130 140 150 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360
Dimenzije zavrtnjeva 30
• Oznaka zavrtnja je Mxd, gde je d-prečnik zavrtnja, odnosno prečnik njegovog tela na mestu spoja. • Navoj treba da ostane izvan ‘’paketa’’ koji se spaja, što mu omogudava podloška - matica. • Vedina zavrtnjeva ima desni navoj, ako je iz nekog razloga neophodno da zavrtanj ima levi navoj, na njemu se to posebno naznači.
31
• U proračun se ulazi sa pretpostavljenim prečnikom zavrtnja, a onda se proverava njegova nosivost. Ovaj prečnik se može dobiti iz empirijskog obrasca: d
5ts,min 0, 2 cm
gde je ts,min debljina spoljnih elemenata u spoju. • Za prenos sile smicanja, istovetno kao i kod zakivaka, neophodno je da zavrtnjevi budu napregnuti na smicanje i po omotaču rupe.
32
• Razlikuju se dva tipa zavrtnja: – zavrtnji sa tačnim naleganjem, upasovani ili obrađeni zavrtnjevi – zavrtnji bez tačnog naleganja, neupasovani ili neobrađeni zavrtnjevi
• Npr., za zavrtanj Mx16: – obrađeni zavrtanj ima: nominalni prečnik tela 16 mm, prečnik za proračun 17 mm, a prečnik rupe 17 mm; – neobrađeni zavrtanj ima: nominalni prečnik tela 16 mm, prečnik za proračun 16 mm, a prečnik rupe 17 mm; 33
M12
M16
M20
M22
M24
M27
M30
M33
PRECNIK STABLA NEOBRADJENOG ZAVRTNJA
12
16
20
22
24
27
30
33
PRECNIK STABLA OBRADJENOG ZAVRTNJA
13
17
21
23
25
28
31
34
4.6 4.8 5.6 5.8 6.8 8.8 10.9
27
30
33
27
30
33
27
30
33
27
30
33
30
33
30
33
NEOBRADJENI ZAVRTANJ
OBRADJENI ZAVRTANJ
BEZ SILE PRITEZANJA
NEOBRADJENI ZAVRTANJ
OBRADJENI ZAVRTANJ
10.9 SA PUNOM SILOM PRITEZANJA
KLASE CVRSTOCE
OSNOVNA OZNAKA
NEOBRADJENI ZAVRTANJ
OBRADJENI ZAVRTANJ
Označavanje zavrtnjeva u tehničkoj dokumentaciji 34
• Klase čvrstode u svojim brojčanim oznakama kriju vrednosti čvrstode na zatezanje i granice razvlačenja. • To su mehaničke karakteristike čelika koje su jako bitne za njegovo ponašanje pod dejstvom opteredenja. • Označavanje klase čvrstode vrši se sa dve brojčane oznake odvojene tačkom. Prva brojčana oznaka predstavlja 1/100 vrednosti čvrstode na zatezanje u MPa, dok je druga desetostruki odnos nazivne granice razvlačenja i čvrstode na zatezanje. • Granica razvlačenja je granična vrednost napona prema kojoj se vrši dimenzionisanje i označava se sa fy. • Čvrstoća na zatezanje je otpor koji materijal pruža pri opteredenju zatezanjem i obeležava se sa fu. 35
• Zavrtnjevima se ostvaruje tačkasto – diskontinualno spajanje elemenata u vezi. Mogu se koristiti u spojevima opteredenim na smicanje, na zatezanje, i za kombinovana naprezanja. Ponekad je njihova uloga u vezi čisto konstruktivna, jer ne prenose nikakva opteredenja.
36
Zavrtnjevi opteredeni na smicanje
Zavrtnjevi opteredeni na zatezanje 37
Zavrtnjevi opteredeni na smicanje (A) i kombinovano naprezanje (B) 38
• Nosivost zavrtnjeva na smicanje • Spojevi ostvareni zavrtnjevima mogu da budu različiti, prema načinu prenosa naprezanja u vezi: – smičudi spojevi (SS) – smičudi spojevi sa tačnim naleganjem (SST)
• Sila se prenosi, kao i kod zakivaka, smicanjem i pritiskom po omotaču rupe.
39
• Za proračun se moraju uvesti neke pretpostavke: – svi zavrtnjevi u vezi podjednako učestvuju u prenošenju opteredenja, s’tim da je u pravcu delovanja sile maksimalno 6 zavrtnja – pritisak po omotaču rupe je konstantan – zanemaruje se savijanje i zatezanje u smičudim spojevima
40
• Nosivost zavrtnjeva u smičudem spoju: Fγ, dop. = min. {Fγ, Fb} gde su: Fγ- nosivost na smicanje Fb- nosivost po omotaču rupe – Nosivost na smicanje
Fγ= m Aγ,1 τdop. =
d 02 dop 4
gde su m-sečnost, m=1 za dva elementa u vezi, m=2 za tri elementa u vezi,... Aγ,1- prečnik vrata zavrtnja do- prečnik rupe za zavrtanj, kod obrađenih zavrtnjeva d=do 41
– Nosivost po omotaču rupe Fb= min Ab σb,dop.= min Σt d0 σb,dop. gde su min Ab – min {Ab1, Ab,2} d- prečnik rupe za zavrtanj, kod obrađenih zavrtnjeva d=do min Σt - min
t1 t2
za jednosečni zavrtanj
t1 t3 min Σt - min za dvosečni zavrtanj t2
42
• Nosivost zavrtnjeva na zatezanje
• Zavrtnjevi koji prenose zatezanje u vezi nalaze se u zatežudem spoju (ZS). • Njihova nosivost je istovetna bez obzira da li se radi o zavrtnjevima sa tačnim naleganjem ili ne. As
d 2 d3 4
2
2
43
• Nosivost zavrtnjeva u zatežudem spoju: Ft, dop. = As σt,dop gde su Ft- nosivost na zatezanje As- ispitni presek
44
Prečnik zavrtnja d (mm)
Površina poprečnog preseka A (mm2)
Ispitni presek As (mm2)
8
50,3
36,6
10
78,5
58,0
12
113
84,3
14
154
115
16
201
157
18
254
192
20
314
245
22
380
303
24
452
353
27
573
459
30
707
561
Ispitni presek zavrtnja
45
• Nosivost zavrtnjeva na kombinovano naprezanje
V1 F , dop
2
N t ,1 Ft , dop
2
1
gde su: V1- sila smicanja u posmatranom zavrtnju Nt,1- sila zatezanja u pravcu posmatrane ose.
46
• Nosivost zavrtnjeva u dugim vezama • Kada je u vezi neophodno postaviti više od 6 zavrtnjeva u jednom redu, neophodno je izvršiti redukciju nosivosti zavrtnjeva, odnosno dopuštena nosivost zavrtnja, bez obzira na naprezanje množi se sa redukcionim koeficijentom β, koji iznosi: l 15d 1 200d • Koeficijent β se nalazi u intervalu *0,75;1+. 47
• Minimalna rastojanja između zavrtnjeva
48
• Minimalno rastojanje između dva zavrtnja u vezi e=3d, minimalno rastojanje izvičnih zavrtnjeva u pravcu delovanja sile e1= 2,5 d, dok je minimalno rastojanje između zavrtnjeva u pravcu normalnom na pravac delovanja sile e2=1,5d. Ovo rastojanje je definisano u SRPS U.E7.145.
49
• Kontrola napona u poprečnim presecima elemenata oslabljenim rupama • Kada se osnovni materijal buši za formiranje rupa za prolaz spojnih sredstava, na mestima oko rupa dolazi do značajne promene naponskog stanja, odnosno koncentracije napona u delovima preseka uz rupe u zategnutim elementima.
x
F F dop Aneto bt - nd o t 50
gde su Aneto - neto površina poprečnog preseka b - širina elementa t - debljina elementa n - broj rupa u posmatranom preseku. • Aneto je površina poprečnog preseka koja je jednaka razlici bruto površine poprečnog preseka i ukupne površine poprečnog preseka rupa. I -I Aneto bt - nd 0 t b - nd 0 t
51
Preseci u osnovnom materijalu koji su oslabljeni rupama
52
I -I Aneto bt - 2d 0 t b - 2d 0 t II - II Aneto (2e2 2 s e) - 4d 0 t 2e2 2 s e - 4d 0 t
nuk - cuk 6-0 Nt Nt Nt nuk 6 n - cuk 6-0 N tII - II N t uk N Nt t nuk 6 N tI - I
gde su nuk- ukupni potreban broj spojnih sredstava za nosivost spoja cuk- broj spojnih sredstava ispred posmatranog preseka
53
0-0 Aneto Abruto OPASNI NETO PRESECI ZA ELEMENT KOJI SE SPAJA
0
I
I -I Aneto bt - 2d 0 t b - 2d 0 t
OPASNI NETO PRESEK ZA PODVEZICE
II
II - II Aneto bt - 3d o t b - 3d 0t
III
N t0-0 N t P
P
0
I
II
III
n -c 9-0 N tI - I N t uk uk N t Nt n 9 uk n -c 9-2 7 N tII - II N t uk uk N t 9 Nt n 9 uk Nt 0-0 Abruto
I -I
II - II
Nt b - 2d 0 t
7 Nt 9 b - 3d0 t
54
2 1 2
Nt
9/9
9/9
2/9
5/9
7/9
4/9
5/9
4/9
2/9
7/9
2 1
TOK SILE ZATEZANJA U VEZI
9/9
55
• Ukoliko naponi na mestu opasnih preseka prekoračuju vrednosti dopuštenih napona potrebno je izvršiti ojačanje osnovnog elementa/podvezice na mestu nastavka. To se postiže povedanjem debljine lima (t) ili njegove širine (b).
• Kada se spajaju elementi opteredeni silom pritiska, ne računaju se slabljenja rupama, ved se u proračun ulazi sa bruto površinama poprečnih preseka.
56
