ČELIČNE KONSTRUKCIJE 1. ČELIK KAO KONSTRUKTIVNI ONSTRUKTIVN I MATERIJAL MATERIJAL U •
GRAĐEVINARSTVU Čelik je moeran konstrukcioni materijal sa istorijom upotrebe od jedva preko 100 godina, ali sa jako
•
obrom perspektivom za buudu izgranju. Metali na bazi rua gvožđa su poznati još iz antičkih vremena.
• •
•
Gvožđe u svom izvornom obliku - Sume Sumerr. Prva proizvonja gvožđa - XVII vek pre nove nove ere ere na južnoj obali Crnog mora. mora. U srenjem veku Evropa i Azija (za izrau oružja).
•
Vek pre otkrida čelika, u visokim pedima, uz pomod pomo d koksa, omogudava se masovna proizvonja sirovog gvožđa koje, pretopljeno i prečišdeno u liveno gvožđe ubrzo postaje konstruktivni materijal za objekte u
•
•
•
građevinarstvu. Henry Cort 1793. goine patentira ’’puel’’ proces za proizvonju kovanog gvožđa, ili tzv. varenog gvožđa sa osobinama bliskim čeliku. Goine 1855. Bessemer prvi počinje proizvonju proizvonju topljenog čelika uuvavaljem vazuha po pritiskom u kruškaste konvertore. 1880. Emile Martin, Thomas i Gilchrist, uvode neka
poboljšanja u proces proizvonje, čime je načinjen put ka pronalasku pronalasku ’’moernog’’ čelika. U Britaniji se sreinom XIX veka goišnje proizvoi proizvoi i o 60.000 tona čelika. 2
•
•
•
U sklau sa propisima na početku vaesetog veka, taašnja inustrija građevinskih materijala je toliko toliko bila ouševljena ’’novim’’ ’’novim’’ materijalom, a se samo čelik mogao upotrebljavati u konstruktivne svrhe, bilo je zabranjeno izvođenje konstrukcija o gvožđa. Čelik preuzima potpuni primat, kako je i anas. Istorijski gledano, gledano, poslednjih 250 godina, u
razvoju konstrukcija o gvožđa i čelika, može se razlikovati tri perioda: Perio livenog gvožđa 1780- 1850 Perio kovanog gvožđa 1850-1900 danass Perio čelika 1880- do dana –
–
–
3
•
I gvožđe i čelik u svom sastavu sarže gvožđe (Fe) i ugljenik (C), kao i druge hemijske elemente u manjem procentu, koji mogu da se odstranjuju,
ako su štetni, ili a se oaju rai oplemenjivanja. •
Na mikrostrukturu i karakteristike materijala
najviše utiče ugljenik. –
–
–
Liveno gvožđe gvožđe obično sarži oko 4 % ugljenika. Čelik obično sarži manje o 1 % ugljenika po masi. Konstrukcioni Konstrukcioni čelik sarži 0,25 % ugljenika, i o 1,5 % mangnana (Mn) . Može se legirati i sa hromom (Cr), niklom (Ni), molibenom (Mo) i sl. Elementi kao što su sumpor (S), fosfor (P) i vododnik (H) mogu imati
štetno ejstvo. 4
•
o poslenjih nekoliko ecenija čelik se proizvoio proizvoio u visokim pedima po SimensMartinovom postupku, dok se danas uz
pomod novih tehnologija proizvoi u Linz onawitz konverterima uz uuvavanje čistog kiseonika, u Ultra High Power Power (UHP)
električnim pedima, visokim pedima sa električnim lukom (The Electrical Arc Furnace (EAF)), topioničkim pedima sa čistim kiseonikom kiseonikom i sl.
5
•
Iz pedi ili konvertora se čelik izvaja u lonce iz kojih dalje ide u kalupe ili kokile. Tu se formiraju poluproizvodi koji se nazivaju ingoti,
slabovi, greice, šipke ili blumovi, a u zavisnosti od dimenzija i oblika kalupa. •
Daljom preradom deformacijom (valjanje-
vrude i hlano, kovanje, presovanje, izvlačenje) se obijaju gotovi proizvoi.
6
•
O hemijskog sastava čeličnog proizvoa 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 proizvonje čelika 8
2. VRSTE ČELIČNIH PROIZVODA
A. VRUDE VALJANI PROIZVOI štapovi –
–
–
–
–
–
–
–
–
pljosnati čelik ebljine o 3 o 100 mm, širine 8 -150 mm i užine 3-15m – SRPS C.B3.025. univerzalni, široki pljosnati čelik ebljine o 5 o 40 mm, širine 151-1110 mm i užine 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, užine 3 -15 m – SRPS C.B3.021. kvaratni čelik, sa zaobljenim ivicama, imenzija 8-125 mm, l= 315 m – SRPS C.B3.024. šestougaoni čelik imenzija 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 kvaratne 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.PROIZVOI ZA SPECIFIČNU NAMENU –
sadasti profili
–
automatski zavareni profili
–
uža
–
kablovi
–
istegnuti metal
–
rešetkasta gazišta
13
D. MATERIJAL ZA SPAJANJE –
zakivci
–
zavrtnjevi
–
navrtke
–
pološke
–
–
elektrode za zavarivanje
žice za zavarivanje
14
15
3. ČELIK KROZ KONSTRUKCIONU ANALIZU ekonomičnost •
•
brzina gradnje
•
mogu a prime i prenesu velika opteredenja,
•
•
ponosedi velike raspone bez potrebe za međustubovima lake, pratedi onos težine prema rasponu, ponose i teže uslove funiranja prostor u tavanicama je često ispunjen instalacijama, uspešno rešavanje enterijera. 16
•
vreme izgranje je krade u onosu na betonske konstrukcije (oplata, armatura,
pravljenje i nalivanje betona, nega, emontaža oplate...) •
rad u svim vremenskim uslovima koje
omogudavaju zaštideni uslovi u raionicama za izradu konstrukcije •
mogudnost emontaže 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 o žilavog toljenog gvožđa, a zatim i o čelika sa zateznom čvrstodom f u=300-400 MPa, f u=380-470 MPa ili f u=440-540 MPa. 18
•
Kod svakog zakivka se razlikuje gotova glava,
•
vrat i završna glava. Prema načinu izrae 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) 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
-
Prečnik rupe zakivka 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 a su pritisak po omotaču rupe i napon smicanja u vratu zakivka konstantne
–
veličine rasporeiti zakivke tako a se štap koji se vezuje u svom preseku najmanje slabi.
•
Poela sile među zakivcima nika nije jenaka, ali se rai lakše računice, takva pretpostavka uvoi 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 4
dop
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 0 σb,dop.
gde su min Ab – min {Ab1, Ab,2}
min Σt - min t 1
t 2
za jenosečni zakivak
min Σt - min t1 t 3 za vosečni zakivak t 2
26
•
•
•
Broj raznih zakivaka po veličini prečnika, u jenoj konstrukciji, iz praktičnih razloga, treba a bue 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,
ok 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 elova pumpe za navonjavanje Visedih vrtova Vavilona u VII veku pre nove ere. Gvozdeni zavrtnjevi se u Evropi koriste od XV veka, kada
liveno gvožđe počinje a se upotrebljava za izrau –
–
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 jenostavniju mašinsku izrau, međutim kaa se početkom XX veka znatno pojednostavljuje proces izrade zavrtnjeva (zavrtanj sa
šestougaonom glavom koji se i anas koristi u građevinarstvu -imbus pojavio se 1911. godine), oni ponovo preuzimaju primat i postaju nezamenljivo
srestvo za izrau 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 ogovarajudeg 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 pološku. SRPS ISO 898-1 efiniše zavrtnjeve (vijke) sa utvrđenim osobinama za nosede čelične konstrukcije. Geometrijske mere su definisane u SRPS ISO 40144016. Navrtke se efinišu standardima SRPS ISO 4034 i SRPS ISO 4032, a pološke 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
72
b
M33
M36
78
84
69
73
79
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, onosno prečnik njegovog tela na mestu spoja. •
•
Navoj treba a ostane izvan ‘’paketa’’ koji se spaja, što mu omogudava pološka - matica. Vedina zavrtnjeva ima esni 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 ona se proverava njegova nosivost. Ovaj prečnik se može obiti iz empirijskog obrasca: d
5t s ,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
OSNOVNA
M12
M16
M20
M22
M24
M27
M30
M33
12
16
20
22
24
27
30
33
13
17
21
23
25
28
31
34
OZNAKA PRECNIK STABLA NEOBRADJENOG ZAVRTNJA PRECNIK STABLA OBRADJENOG ZAVRTNJA
4.6 4.8
27
30
33
27
30
33
27
30
33
27
30
33
30
33
30
33
NEOBRADJENI ZAVRTANJ
5.6 5.8 6.8
OBRADJENI ZAVRTANJ
8.8
E 10.9 C O T S R V C E 10.9 S A L K A J N A Z E T I R P E L I S Z E B
A J N A Z E T I R P M O L I S M O N U P A S
NEOBRADJENI ZAVRTANJ
OBRADJENI ZAVRTANJ
NEOBRADJENI ZAVRTANJ
OBRADJENI ZAVRTANJ
Označavanje zavrtnjeva u tehničkoj okumentaciji 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 f y. Čvrstoća na zatezanje je otpor koji materijal pruža pri opteredenju zatezanjem i obeležava se sa f u. 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 pojenako učestvuju u prenošenju opteredenja, s’tim a 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 gde su 4 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 0 σb,dop.
gde su min Ab – min {Ab1, Ab,2} d- prečnik rupe za zavrtanj, ko obrađenih zavrtnjeva d=do
min Σt - min
t 1 t 2
za jenosečni zavrtanj
t1 t 3 vrtanj min Σt - min za vosečni za t 2
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 rai o zavrtnjevima sa tačnim naleganjem ili ne. A s
d 2 d 3
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
Površina poprečnog preseka
d (mm)
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
V 1 F , dop
2
N t ,1 F t , 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
•
Kaa je u vezi neophono postaviti više o 6 zavrtnjeva u jednom redu, neophodno je
izvršiti reukciju nosivosti zavrtnjeva, onosno opuštena nosivost zavrtnja, bez obzira na naprezanje množi se sa reukcionim koeficijentom β, koji iznosi: 1 •
l 15d 200d
Koeficijent β se nalazi u intervalu *0,75;1+. 47
•
Minimalna rastojanja između zavrtnjeva
48
•
Minimalno rastojanje između va zavrtnja u vezi e=3, minimalno rastojanje izvičnih zavrtnjeva u pravcu delovanja sile e1= 2,5 d,
ok 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
•
Kaa se osnovni materijal buši za formiranje rupa za prolaz spojnih sredstava, na mestima
oko rupa olazi o značajne promene naponskog stanja, odnosno koncentracije napona u delovima preseka uz rupe u zategnutim elementima. x
F Aneto
F bt - nd o t
dop 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
jenaka razlici bruto površine poprečnog preseka i ukupne površine poprečnog preseka rupa.
I - I Aneto bt - nd0 t b - nd 0 t 51
Preseci u osnovnom materijalu koji su oslabljeni rupama
52
I - I Aneto bt - 2d 0t b - 2d 0 t II - II Aneto (2e2 2 s e) - 4d 0t 2e2 2s e - 4d 0 t
nuk - cuk 6-0 Nt N t N t nuk 6 nuk - cuk 6-0 II - II N t N N t N t t nuk 6 N t I - I
gde su nuk - ukupni potreban broj spojnih sredstava za nosivost spoja cuk - broj spojnih sredstava ispred posmatranog preseka
53
0-0
I - I
bt - 2d 0t b - 2d 0 t
Aneto OPASNI NETO PRESECI ZA
OPASNI NETO PRESEK ZA
ELEMENT KOJI SE SPAJA
PODVEZICE
0
I
II
Aneto
III
P
bt - 3d ot b - 3d 0t
II - II
Aneto 0-0
I - I
N t P
N t
II - II
I
II
III
0-0
I - I
N t
nuk - cuk 9-0 N N t t 9 nuk n -c 9-2 7 N t uk uk N t 9 9 nuk
N t
0
Abruto
Nt
N t Abruto N t
b - 2d t 0
7 II - II
9
N t
b - 3d t 0
54
N t
2 1
Nt
2 9/9 2/9
9/9
7/9
5/9
4/9
5/9
4/9
2/9
7/9
2 1
TOK SILE ZATEZANJA U VEZI
9/9
55