Mašinski fakultet Sarajevo Izbor materijala i analiza havarija
Seminarski rad
Odabrane stručne teme
Uputstvo za izradu Seminarskog rada Podatke o studentu (ime i prezime) unosi student koji radi radi Seminarski Seminarski rad. Podatke o datumu izdavanja, datumima kolokviranja i osvojenim osvojenim bodovima unosi predmetni predmetni asistent. Student Seminarski rad radi u MS Word-u, i kao štampanu verziju predaje predmetnom asistentu koji provjerava, komentira, i konačno ocjenjuje kemijskom olovkom. Sve izvode iz literature navesti navesti direktno u tekstu, tekstu, po rednom broju citiranja citiranja (npr. [1]), a listu korištene literature navesti na kraju rada. Tekst u seminarskom radu treba biti font „Arial“ veličina 11. Slike u seminarskom radu trebaju biti standardnog tipa (ubačene u formatu jpg, bmp, wmf) i imati najmanje najmanje 100 dpi.
od m ax 40 obrađeni tekst i slike, max8 pristup i ref. ref. literatura, max12 zadata forma, max4 prezentacija i kolokvij, max16
Ime i Prezime
Rev.
Datum
Kolokvij i/ili Prezentacija Datum izdavanja Mart 2013
Ime i Prezime / Datum
Ukupno bodova
Pregledao Asistent Naziv seminarskog rada
Izbor materijala za čelične konstrukcije projektovane prema Eurokodu 3 (EN 1993)
Sadržaj seminarskog rada 1
Uvod .................................................................................................................................................3
2 3
Općenito o izboru čelika prema Eurokodu 3 ......................................................................................4 Zahtijevi pri izboru čelika prema Eurokodu 3 .....................................................................................6 Izbor materijala na osnovu ţ ilavosti – Eurokod 3 dio 1-10 ............................................................... 11
4 5 6 8
Izbor materijala za osobine kroz debljinu, Eurokod 3 dio 1-10 ........................................................ 15
Zaključak ........................................................................................................................................18 Literatura ........................................................................................................................................ 19
1
Uvod
Izbor odgovarajućeg materijala je od velikog značaja za uspješnost jednog proizvoda. Broj materijala koji su na raspolaganju je veliki i stalno raste razvojem novih. Tako da je izbor materijala dinamički proces, koji moţe biti od presudnog značaja za uspjeh proizvoda odnosno preduzeća. Postoji više od 50.000 različitih materijala koji su dostupni jednom inţinjeru. Stoga, postavlja se pitanje kako jedan inţinjer, pri konstruisanju ili p rojektovanju, moţe izabrat i materijal koji najbolje odgovara namjeni iz tako velikog spektra različitih materijala, jer pogrešan izbor materijala moţe izazavati katastrofalne pojave [1]. Pravilan izbor materijala predstavlja ključni korak u procesu projektovanja jer od toga zavisi ne samo vijek trajanja određenog dijela uređaja, već i sam tehnološki proces, kao i konačan proizvod. Razvoj nauke o materijalima, kao polazne teorijske osnove, kao i razvoj novih materijala koji su u komercijalnoj
primjeni doveo je do naglog povećanja broja konstrukcionih materijala. Pred inţinjere se postavlja velika mogućnost izbora materijala, isvi odgovaraju specifičnoj namjeni. Ova v elika raznolikost materijala ne predstavlja prednost, već se čak moţe shvatiti i kao nedostatak. Na sreću, kada se uzmu u obzir trţište, poznati proizvođaći, realno, u praktičnim uslovima izbor se svodi na informacije o pedeset do osamdeset različitih materijala, zavisno od širine upotrebe. Strategija izbora materijala je naročito postala značajna u posljednje vrijeme. Primjena konk urentnih inţinjerskih metoda i paketa programa dovela je do uključivanja inţinjera u mnogo ranije stadi jume izbora materijala, jer pravilan izbor materijala u procesu proizvodnje u mnogome odlučuje osobine finalnog proizvoda. Sve veća primjena automatizacije procesa proizvodnje je dovela do odnosa da cijena materijala predstavlja 50% a u nekim slučajevima i više od cijene finalnog proizvoda [2].
Svi materijali "Prevod" ili izražavanje projektnih zahtijeva
(Izraziti kao funkcije, granične uslove, ciljeve i slobodne varijable.)
Provjera dostupnih materijala i suženje izbora obzirom na granične uslove (Eliminacija materijala koji nemogu zadovoljiti granične uslove ili obaviti funkciju.)
Rangiranje materijala obzirom na ciljeve (Pronaći materijale koji najbolje zadovoljavaju zahtijeve.) Potraga za dodatnim informacijama (Istraţiti "istoriju" familije materijala za najbolje kandidirane materijale.)
Finalni izbor materijala Slika 1-1. Strategija izbora materijala prema Ashby-u [3]
Najkraće obajšnjeno, izbor materijala se sastoji iz [1]:
Identifikacije skupa zahtijevanih osobina materijala,a na osnovu projektnih zahtijeva (eng. design requirements), a potom
Usporedba stvarnih ili dostupnih „inţinjerskih“ materijala za skup zahtijevanih osobina, te iznalaţenje najboljeg ili optimalnog riješenja.
2
Općenito o izboru čelika prema Eurokodu 3
Eurokod 3 se odnosi na projektovanje čeličnih konstrukcija i na građevinske radove s čelikom. U skladu je sa zahtijevima i načelima za pouzdanost konstrukcija, s osnovama njihovog projektiranja i provjere koje su navedene u EN 1990 – Osnove za projektovanje konstrukcija. Eurokod 3 se odnosi samo na zahtijeve za otpornost, upotrebljivost, trajnost i otpornost na poţar čeličnih konstrukcija [4]. Oni se temelje na principu projektovanja prema graničnim stanjima, koji uglavnom pretpostavlja da se otpornost presjeka i elementa za kranja granična stanja temelji na ispitivanjima u kojima su zadovoljene tolerancije prema EN 1090-2, a materijal iskazuje dovoljnu duktilnost da se mogu primjeniti pojednostavljeni modeli proračuna. Dakle, svojstva materijala, za čelik – razred (klasa) čelika, moraju biti detaljno naznačen i u skladu s razinama pouzdanosti definiranim u Eurokodu 3.
Ovi pojednostavljeni proračunski modeli i koncept pouzdanosti u Eurokodu temelje se na ispitivanjim pri sobnoj temperaturi, kad se javlja duktilno otkazivanje budući da čelik u područiju gornje r azine (nivoa) posjeduje dovoljnu ţilavost. Slika 2 -1 (lijevo) prikazuje pregled svih duktilnih oblika otkazivanja, koji su uključeni u pravila proketiranja za čelične konsrukcije, kao i izraze za karakterističnu otpornost i vrijednost parcijalnih faktora k oji su proizašli iz ispitivanja. Ako nastupa krti lom, pretpostavke za proračunske modele i koncepte sigurnosti više nisu ispunjene, vidi sliku 2 -1 (desno). Prema tome, otkazivanje krtim lomom se mora izbjeći pravilno odabranim čelikom k oji posjeduje dovol jnu ţilavost [5]. Duktilni načinotkazivanja
Krti lom
Način 0
Način 1
Način2
Prekomjerne deformacije zbog
Otkazivnanje elementa zbog instabiliteta, npr. izvijanje
Lom nakon
razvlačenja,npr. istezanje šipke
̅
razvlačenja,npr.vijak
Isključeno ispravnim izborom materijala
Slika 2-1. Krti i duktilni oblici otkazivanja [5]
Generalno, izbor razreda čelika je određen u Eurokodu EN 1993-1-1 (2005). Navedeno je nekoliko zahtijeva [6]:
Izbor prema mehaničkim osobinama materijala – nominalne vrijednosti svojstava materijala definirane su kao karakteristične vrijednosti u proračunu. Zahtijevi duktilnosti – za čelike se zahtijeva minimalna duktilnost . Osobine ţilavosti – data su pojednostavljena pravila za izbor odgovarajućeg materijal s dovoljnom ţilavosti za izbjegavanje krtog loma. Osobine kroz debljinu – smjernice za izbor osobina kroz debljinu date su u EN 1993-1-10.
Slika 2-2 . Označavanje razreda čelika u skladu sa EN 10025 [6]
S obzirom na ove zahtijeve, razredi čelika su navedeni u normi za vruće valjan e proizvode i konstrukcione čelike – EN 10025 (slika 2- 2). Ovdje prikazan, a u EN 10025 usvojen, alfanumerički način označavanja čelika određen je prema normama EN 10027 -1 i CR 10260. Klasifikacija razreda čelika se prema tome temelji na navedenoj minimaln oj granici razvlačenja pri sobnoj temperaturi (355 MPa) [5].
3
Zahtijevi pri izboru čelika prema Eurokodu 3
Mehaničke osobine Nominalne vrijednosti granice razvlačenja, f y i čvrstoće, f u, za konstrukcioni čelik trebaju se dobiti 3.1
usvajanjem vriednosti f y= R eh i f u= R m direktno iz norme za proizvode (npr. EN 10025), ili iz tabele 3.1 u EN 1993-1-1, koja je ustvari preuzeta iz EN 10025. Mora se naglasiti da se zahtijevana granica
razvlačenja smanjuje s povećanjem debljine materijala. Na taj se način uzima u obzir učinak da s porastom debljine materijala treba dodati više legirajućih elemenata kako bi se postigla konstantna granica razvlačenja po debljini. Međutim, s porastom dodatka legirajućih elemenata povećava se vrijednost ugljikovog ekvivalenta (CE) i zavarivanje postaje problematično. Zavarljivost je značajna osobina za primjenu konstrukcionih čelika. Stoga, normativna pravila uzimaju u obzir ovu činjenicu smanjujući zahtijevanu granicu razvlačenja za deblje ploče kako bi se osigurala zavarljivost. Ovdje je bitno napomenuti da novi način proizvodnje termomehanički valjanih sitnozrnatih čelika u kvalitetnim razredima jednakim ili većim od S460 omogućuju izvrsne mehaničke osobine, tj. mali pad granice razvlačenja s povećanjem debljine. Takvi čelici, u praksi poznati pod komericjalnim nazivom HISTAR, posjeduju izuzetnu osobinu zavarljivosti koja je, uz navedene visoke mehaničke osobine, posljedica novog načina proizvodnje visokokvalitetnih čelika s malim udjelom legirajućih elemenata i općenito malom vrijednosti ugljikovog ekvivalenta [5].
Slika 3-1. Zavisnost debljine materijala i granice razvlačenja, poređenje čelika prema EN 10025 (2004) i modernih HISTAR čelika prema Z -30.2-5 (2008) [6]
3.2
Duktilnost
Između ostalog, duktilnost se zahtijeva kako bi se izbjegao krti lom konstrukcionih elemenata. Za čelike se minimalna zahtijevana duktilnost izraţava u smislu ograničenja je za: Izduţenje pri otkazivanju na mjernoj duţini od √ (gdje je A 0 početna površina poprečnog presjeka). Eurokod preporučuje da izduţenje pri otkazivanju ne bude manje od 15%, Omjer f u/f y određene minimalne čvrstoće f u, i određene minimalne granice razvlačenja, f y. Eurokod preporučuje da minimalna vrijednost bude f u/f y 1,10. Oba kriterija su od posebne vaţnosti za konstrukcione čelike visoke čvrstoće, kao na primjer razred HISTAR 460 (ili razred čelika S460 prema EN 10025 -4 za termomehanički valjane zavarljive sitnozrnate konstrukcione čelike), s obzirom na činjenicu da što je veća granica razvlačenja to će izduţenje pri otkazivanju (lomu) biti manja (slika 3- 2). Minimalno potrebno izduţenje za konstrukcione čelike propisano je u EN 10025. Dakle, norma za proizvode nudi više duktilnosti od zahtijevane u EN 1993 -1-1. Međutim, slika 3-2. također pokazuje da je minimalno izduţenje općenito zadovoljeno s visokim nivoom pouzdanosti za savremenu ge neraciju čelika visoke čvrstoće.
Slika 3-2 . Poređenje krivulja naprezanje-deformacija za čelik S235 i čelike savremene generacije HISTAR 355 i HISTAR 460 [6] Omjer f u/f y je općenito kritičniji od minimalnog izduţenja. Stoga su provedena mnogobrojna ispitivanja zatezanjem, a dobijeni omjeri f u/f y su prikazani u odnosu na granicu razvlačenja na slici 3 -3.
Slika 3-3. Odnos granice razvlačenja i čvrstoće konstrukcionih čelika proizvođača ArcelorMittal, N normalizirani čelici, TM - termomehanički obrađeni čelici [6] Iz dijagrama sa slike 3- 3. moţe se zaključiti da konstrukcioni čelici do 460 MPa ispunjavaju kriterije duktilnosti. Na prvi se pogled čini da konstrukcioni čelici s granicama razvlačenja već im od 460 MPa ne
ispunjavaju kriterije duktilosti. Međutim, čelici proizvedeni termomehaničkim (TM) postupkom ciljano ispunjavaju te kriterije zahvaljujući njihovom specifičnom mehanizmu očvršćavanja (sitnija mikrostruktura i smanjeni udio mikrolegirajućih elemenata) [5].
Žilavost
3.3
Moguća su dva načina otkazivanja materijala: duktilno ili krto (tabela 1). Krto otkazivanje je nepoţeljno naglo otkazivanje bez plast ične deformacije materijala i uobičajeno se naziva krti lom. Ţilavost je otpornost naprezanog materijala na krti lom. Definira se kao količina energije po jedinici volumena koju materijal moţe da apsorbuje prije nego što pukne. Na ţilavost materijala utiče više faktora: Temperatura Materijali gube otpornost na lom sa smanjenjem temperature, vidi sliku 3-4a. Ovaj se odnos moţe prikazati na krivoj udarna ţilavost KV (Av) – temperatura (T) s područjem gornjeg dijela krive (3: duktilno otkazivanje ), područje donjeg dijela krive (1: krti lom) i prelazno područije (2:
mješoviti lom – lom pokazuje dijelove cijepanja i površinu smicanja). Brzina opterećivanja Što je veća brzina opterećivanja to je ţilavost manja (slika 3 -4b). Veličina zrna Orijentacija kristalne rešetke je različi ta u susjednim zrnima (slika 3-5a). Kad god vrh pukotine dostigne granicu zrna, pukotina naknadno mijenja svoj smjer širenja (rasta) te se tako energija razrađuje. Prema tome, finozrnasti čelici su otporniji na krti lom. Hladno oblikovanje S povećanjem hladnog oblikovanja dolazi do povećanja granice razvlačenja uz smanjenje duktilnosti (slika 3-5b). Debljina materijala
U dvodimenzionalnom stanju naprezanja, plastična deformacija čelika počinje u tački razvlačenja. U trodimenzionalnom stanju n aprezanja, kristalna rešetka čelika je zbijena (stisnuta) sa svih strana i stoga dolazi do značajnog porasta granice razvlačenja čelika. Dakle, tanje ploče s većim udjelom materijala u dvodimenzionalnom stanju naprezanja imaju veću duktilnost od debljih ploča (slika 3-6).
a)
b) Slika 3-4. Kriva udarna žilavost Av (KV) – temperatura (a), i kriva faktora intenziteta naprezanja – temperatura za kvazistatičko i dinamičko opterećenje (b) [6]
b) a) Slika 3-5. Model širenja pukotine u mikrostrukturi (a), i kriva naprezanje-deformacija u zavisnosti o nivou hladnog oblikovanja (b) [6]
Slika 3-6 . Površine loma, nako udarnih ispitivanja na Charpy-evom klatnu, ploča različitih debljina [6] Tabela 1. Mehanizmi otkazivanja materijala
Način otkazivanja
Deformacija kristalne rešetke
Fraktografija
Duktilno otkazivanje (lom) smicanje klizanje
ţilavost
bez sjaja
Krto otkazivanje (lom) cijepanje dekohezija lomljivost (krtost) sjaj
Generalno ţilavost materijala se ispituje udarnim testom na Charpy- jevom klatnu sa rezultujućom krivom udarna ţilavost – temperatura (slika 3-6a).
Ostali relevantni faktori koji imaju uticaj i na otpornost elementa na krti lom jesu [5]: Detalj (oblik) zareza
Početak pukotine izrazito ovisi o detalju zareza i proizašlom naprezanju, poloţaju pukotine i obliku pukotine izraţene faktorima intenziteta naprezanja (slik a 3-7a). Nivo iskorištenosti elementa (omjer učinka djelovanja i otpornosti) Što su veći naponi na zatezanje u elementu, veća je vjerovatnoća loma (slika 3 -7b).
a) b) Slika 3-7. Specifikacija zareza (eng. notch) za određivanje faktora intenziteta zareza (a), i odnos naprezanje za lom – veličina pukotine (b) [6]
3.4
Osobine kroz debljinu
Lamelarno cijepanje je tip loma koji s e događa ispod zavara (slika 3 -8). Obično nastupa kada se neki
pločasti materijai koji imaju nisku duktilnost u smijeru debljine (ili kroz debljinu) zavaruju na okomiti element. Otkazivanje cijepanjem obično nastupa unutar osnovnog materijala izvan zone uticaja toplote i paralelno je s granicom topljenja zavara. Problem je uzrokovan varovima koji osnovni materijal izlaţu visokim naprezanjima, odnosno skupljaju u smijeru debljine. Glavni pokazatelj da materijal odeđuje defor mabilnost u smijeru kroz debljinu jest sumpor (sadrţan kao rezidualni element u čeliku). Međutim, poznato je da se samo deformabilnost, ali ne i čvrstoća (otpornost) u smijeru kroz debljinu, moţe poboljšati postupcima proizvodnje čelika.
Slika 3-8. Lamelarno cijepanje [6]
Otpornost na lamelarno cijepanje je jedan od bitnih zahtijeva pri izboru čelika [5].
4 4.1
Izbor materijala na osnovu žilavosti – Eurokod 3 dio 1-10 Uopšteno [8] (1) Smjernice date u ovom poglavlju bi se trebale koristiti prilikom izbora materijala za novu konstrukciju. One nisu namijenjene da obuhvate određivanje ( eng. assessment) materijala u
eksploataciji. Pravila treba koristiti za odabir odgovarajućeg razreda čelika iz Europskih Standarda za čelične proizvode navedene u EN 1993 -1-1. (2) Pravila su primjenjiva za napregnute elemente, zavarene i zamorno opterećene elemente u kojima je jedan dio perioda opterećenja zatezanje. (3) Pravila će se koristiti za osobine materijala određene prema vrijednosti ţilavosti u skladu sa odgovarajućim standardima za čelične proizvode. Materijal sa manjim ONEROUS razredom se ne smije koristiti, iako rezultati testa pokazuju podudarnost sa navedenim razredom.
Napomena: Za elemente koji nisu podvrgnuti naprezanju, zavarivanju ili zamornom opterećenju, pravila mogu biti konzervativna. U takvom slučaju riješenje se moţe dobiti pomoću mehanike loma. Udarna ţilavost ne treba biti određena samo za elemente opterećene na pritisak (sabijanje). 4.2
Procedura [8] (1) Prilikom izbora razreda čelika treba voditi računa o sljedećem: a) osobinama materijala:
zatezna čvrstoća zavisna od debljine materijala f y(t) kvalitet ţilavosti izraţen sa T 27J ili T40J
b) karakteristikama dijela: oblik i detalji dijela koncentracija napona prema EN1003-1-9 debljina elementa (t)
pretpostavke za greške pri proizvodnji (npr. kao što su pukotine po debljini ili polueliptične površinske pukotine)
c) okolnosti pri projektovanju:
vrijednost najniţe projektovane temperature dijela
maximalni naponi od stalnih i nametnutih dejstava izvedeni projektovanja, opisanih ispod u (4) zaostali naponi pretpostavke za rast pukotine brzina deformacije (eng. strain rate) od slučajnih dejstava stepen hladne deformacije ( )
iz
uslova
̇
(2) Dozvoljena debljina čeličnog elementa (prema tabeli 2) . (3) Alternativne metode se mogu koristiti za determinisanje zahtijeva ţilavosti kao: a) metoda mehanike loma:
U ovoj metodi zahtijevana vrijednost ţilavosti ne smije da prelazi vrijednost osobine ţilavosti . b) korištenjem numerike:
Da bi se dobili realni rezultati, modeli bi trebali biti konstruisani i opterećeni na sličan način kao i stvarna konstrukcija.
(4) Sljedeći uvjeti projektovanja (eng. design condition) se trebaju uzeti: a) Dejstva (eng. actions) trebaju odgovarati sljedećoj kom binaciji (eng. combination): Ed = E
{ [ ] ∑ ∑ }
gdje glavno dejstvo A je referentna temperatura T Ed koja utiče na ţilavost materijala posmatranog komada i također moţe dovesti do naprezanja zbog sprečavanja kretanja. su stalna dejstva, i je česta (eng. frequent) vrijednost varijable opterećenja i su kvazi-permanentne vrijednosti pratećih varijabli opterećenja, koja uzrokuju ( eng. govern) nivo naprezanja materijala.
b) Kombinacije faktora
∑
i trebaju biti u saglasnosti sa EN 1990.
c) Maksimalni primjenjeni napon σEd bi trebao biti jednak nominalnom naponu na mjestu potencijalne inicijacije loma. σEd bi trebalo izračunati i za granicu upotrebljivog stanja ( eng. serviceability limit state ) uzimajući u obzir sve kombinacije stalnih i varijabilnih dejstava (eng. actions), kao što je definirano u odgovarajućem dijelu EN 1991. Napomene: Gornja kombinacija sesmatra da je jednaka slučajnoj kombinaciji, zbog pretpostavke simultane (istovremene) pojave najniţe temperature, veličine greške, lokacije greške iosobina materijala. σEd moţe uključivati i napone zbog spriječavanja pomjeranja ( eng. restraint of movement) uslijed promjene temperature. Kao što je glavno dejstvo referentna temperatura T Ed, maksimalni primjenjeni napon σEd
generalno neće preći 75% od zatezne čvrstoće.
(5) Referentna (eng. the reference) temperatura T Ed na potencijalnoj lokaciji loma bi se trebala
odrediti korištenjem sljedećeg izraza:
̇ gdje je: Tmd – je najniţa temperatura zraka sa navedenim periodom povrata, vidi EN 1991 -1-5 – je dodatak za gubitak zračenja, vidi EN 1991 -1-5 – je dodatak za zateznu čvrstoću i granicu razvlačenja materijala, nesavršenost pukotine, oblika i dimenzija – je sigurnosni dodatak, ako je potreban ̇ – je dodatak za brzinu deformacije, drugačije nego referentna brzina deformacije – je dodatak za stepen hladne deformacije
̇
Napomene: sigurnosni element da prilagodi T Ed za druge zahtijeve pouzdanosti date Nacionalnim Aneksom. =0 °C je preporučeno, kada se koriste tabelarne vrijednosti prema maksimalnoj dozvoljenoj debljini elementa (tabela 2). Vrijednost =0 °C se moţe pretpostaviti kada se koriste tabelarne vrijednosti prema tabeli 2. Nacionalni Aneks moţe dati maksimalne vrijednosti raspona između T Ed i testne temperature i također raspon od σ Ed, za koje valjanost vrijednosti za dozvoljene debljine u tabeli 2. mogu biti
ograničene. Primjena tabele 2. moţe biti ograničena Nacionalnim Aneksom da se koriste čelici do S 460.
(6) Referentni napon σEd bi trebao biti određen korištenjem elastične analize uzimanjem u obzir druge efekte od deformcija.
4.3
Maksimalno dozvoljene vrijednosti debljine [8] (1) Tabela 2. daje maksimalnu dozvoljenu debljinu elementa koja odgovara datom razredu čelika, njegovoj kvaliteti ţilavosti u smilsu K v vrijednosti, referentnom nivou naprezanja [ σEd] i referentnoj temperaturi [TEd]. (2) Vrijednosti iz tabele 2. su bazirane na sljedećim pretpostavkama:
vrijednosti zadovoljavaju zahtijeve EN 1990 za opći kvalitet materijala
̇ je korištena. Ovo se odnosi na dinamičke efekte dejstva za većinu kratkotrajnih i dugotrajnih projektnih situacija. Za ostale brzine deformacije ̇ (npr. za udarna opterećenja), tabelarne vrijednosti mogu se koristiti smanjenjem T oduzimanjem ̇ , dato kao: referentna brzina deformacije
Ed
̇ [°C] ̇ ( ̇)
pretpostavljeni su materijali koji nisu hladno deformisani sa
. Kako bi dopustili hladno
oblikovane čelike koji nisu prethodno podvrgnuti starenju, tabelarne vrijednosti mogu se koristiti prilagođavanjem T Ed oduzimanjem :
[°C]
nominalne vrijednosti ţilavosti zareza ( eng. notch toughness) po pitanju T 27J su bazirane sljedećim standardima: EN10025, EN 10155, EN 10210 -1, EN 10219-1. Za ostale vrijednosti korištena je sljedeća veza: T40J= T27J+10 [°C] T30J= T27J+0 [°C]
za članove (eng. members) koji su podleţni zamoru materijala, svi detalji vezani za nominalna naprezanja su obuhvaćeni sa EN 1993 -1-9.
Tabela 2. daje maksimalne dozvoljene vrijednosti debljine elementa zavisno od tri nivoa napona
predstavljeni kao proporicije nominalne granice razvlačenja: a) σEd = 0,75 f y(t) [N/mm2] b) σEd = 0,50 f y(t) [N/mm2] c) σEd = 0,25 f y(t) [N/mm2] gdje f y(t) moţe odrediti iz:
[N/mm2]
gdje je t debljina ploče ( eng. table) u mm, t0 = 1mm
ili se moţe uzeti kao R eH vrijednosti iz primjenjivih standarda za čelike. Tabelarne vijednosti su date zavisno od sedam referentnih temperatura: +10, 0, -10, -20, -30, -40 i -50 °C [8].
Tabela 2. Maksimalne dozvoljene vrijednosti debljine elementa t u mm [8]
4.4
Procjena sigur nosti za izbjegavanjekrtog loma pomoću mehanike loma [5]
Provjera se provodi uspoređivanjem K -vrijednosti (faktori intenziteta naprezanj).Uspoređuju se, s jedne strane, računske vrijednosti učinaka djelovanja izraţene pomoću faktora intenziteta naprezaja, K*appl,d , a s druge strane, računske vrijednosti otpornosti izraţene pomoću fa ktora intenziteta naprezanja, Kmat,d: K*appl,d ≤ Kmat,d ...(1)
Računske vrijednosti su dobivene iz statičkih distribucija na takav način da se postigne zaht ijevana pouzdanost za procjene krajnjeg graničnog stanja. Provjera se temelji na sljedećim konzervativnim pretpostavkama: 1. konstrukcijski dio ima nedostatak u obliku pukotine u tački maksimalne koncentracije naprezanja
(eng. hot spot) s veličinom a d (npr. računska vrijednost dubine pukotine), i izloţena je također zaostalim naprezanjima od izrade; 2. temperatura konstrukcijskog dijela (Tmin,d) dostiţe svoju minimalnu vrijednost i time uzrokuje
minimalne osobine ţilavosti; 3. konstrukcijski dio je izloţen naprezanju od stalnog i promjenjivog opterećenja uz vodeće djelovanje (T min,d); 4. proračunska situacija koja obuhvaća kombinaciju navedenih pretpostavki je izuzetna. Procjena sigurnosti, izraz (1), transformira se u vrijednost temperature i time dobiva oblik prikazan izrazom (2): TEd TRd ...(2)
gdje je TRd temperatura pri kojoj se nivo sigurnosti ţilavosti loma moţe povezati s otpornosti ţilavosti Kmat,d, a TEd je referentna temperatura koja uključuje sve ulazne vrijednosti tako da ih uzima u obzir s promjenom (pomakom) temperature.
Ulazne vrijednosti su:
5 5.1
najniţa temperatura zraka, T min (karta temperature za standardni povratni period od 50 godina), gubici zbog zračenja komponente ( ), uticaj oblika i dimenzija elementa, nesavršenosti od pukotine, i naprezanja , što rezultira sa
( ), dodatni element sigurnosti ( ), uticaj stope prirasta deformacije ( uticaj hladnog oblikovanja ( ).
̇ ),
Izbor materijala za osobine kroz debljinu, Eurokod 3 dio 1-10 Uopšteno [8] (1) Izbor klase kvaliteta treba izabrati iz Tabele 3. zavisno od posljedica (eng. consequences) lamelarnog cijepanja.
Tabela 3. Izbor klase kvaliteta Klasa Primjena smijernica (eng. application of guidance) 1 Svi čelični proizvodi i sve debljine navedene u Europskim standardima za sve primjene 2 Neki čelini proizvodi i neke debljine navedene u Europskim standardima i/ili neke navedene primjene Napomena: Nacionalni Aneks moţe izabrati relevantnu (primjenjivu) klasu. Izbor klase 1 je preporučeno. (2) Zavisno od klase kvaliteta izabrane iz tabele 3. :
osobine kroz debljinu za čelične materijale bi trebale biti određene iz EN 10164, ili
ispitivanje nakon obrade se treba koristiti da se utvrdi da li je doslo do lamelarnog cijepanja.
(3) Sljedeći aspekti se trebaju uzeti u obzir pri izboru načina spajanja i vezivanja čelika (eng. steel assemblies or connections) radi zaštite od lamelarnog cijepanja:
Vaţnost (eng. the criticality) lokacije u pogledu primjenjenog napona zatezanja i the degree of redundancy.
Naprezanje u smijeru debljine elementa na kojem je ostvarena veza. Ovo naprezanje
nastaje usljied skupljanja metala šava dok se hladi. Ono je znatno povećano na mjestima gd je je spriječeno slobodno kretanje drugim dijelom konstrukcije.
Priroda detalja spoja, naročito zavareni krstasti, T i ugaoini spojevi.
Hemijski sastav transferzalno opterećenog materijala. Naročito visok nivo sumpora u
materijalu, čak i kada je ispod normalnog standardnog nivoa, moţe povećati lamelarno cijepanje. (4) Osjetljivost materijala (na lamelarno cijepanje) se moţe odrediti mjerenjem kvaliteta duktilnosti
(plastičnosti) kroz debljinu prema EN 10164, koja se izraţava u pogledu klasa kvaliteta predstavljenih kao Z vrijednosti.
Napomena: Lamelarno cijepanje je greška u materijalu nastala usljed zavarivanja, koja se generalno moţe otkriti ultrazvučnom NDT metodom. Najveći rizik od cijepanja je kod krstastih, T i ugaonih zavarenih spojeva i kod spojeva sa punom penetracijom.
Uputstvo za izbjegavanje lamelarnog cijepanja u toku zavarivanja je dato u EN 1011-2.
a) b) Slika 5-1. Oštečeno kučište stjenke 39mm, napravljeno od čelika St 52 -3 (a), mikrograf pokazuje lamelarno cijepanje (b) [7]
5.2
Procedura [8] (1) Lamelarno cijepanje se moţe zanemariti ( eng. neglected) ako su sljedeći uslovi zadovoljeni: ZEd ≤ ZRd
gdje je:
ZEd potrebna projektovana Z vrijednost, nastala kao rezultat vrijednosti naprezanja uslijed skupljanja metala ispod nadvišenja zavara ( eng. under the weld beads).
ZRd je dostupna projektovana Z vrijednost za materijal prema EN 10164, tj. Z15, Z25 ili Z35.
(2) Zahtijevana vrijednost ZEd se moţe odrediti pomoću: ZEd = Za + Zb + Zc + Zd + Ze gdje su Za, Zb, Zc, Zd, i Ze date u tabeli 4.
Slika 5-2. Korisna dubina zavara a eff za skupljanje [8]
Tabela 4.Kriteriji koji utječu na ciljanu vrijednost Z Ed (eng. criteria affecting the target value of Zed) a)
b)
Dubina zavara u vezi sa naprezanjem usljed skupljanja metala
Efektivna dubina zavara aeff (vidi sliku 5-2.) = debljina katete a ugaonog spoja
aeff ≤ 7mm 7 < aeff ≤ 10mm 10 < aeff ≤ 20mm 20 < aeff ≤ 30mm 30 < aeff ≤ 40mm 40 < aeff ≤ 50mm 50 < aeff
a = 5mm a = 7mm a = 14mm a = 21mm a = 28mm a = 35mm a > 35mm
Oblik i pozicija zavara u T, krstastom i ugaonom spoju
Zi Za = 0 Za = 3 Za = 6 Za = 9 Za = 12 Za = 15 Za = 15 Zb= -25
ugaoni spojevi
Zb= -10
ugaoni spojevi iz jednog prolaza Za=0 ili ugaoni spojevi sa Za>1 sa puterovanjem
Zb = -5
sa niskom čvrstoćom materijala zavara
višeprolazni
Zb = 0
ugaoni spojevi djelimični i sa punom penetracij om spojevi
Zb = 3
djelimični i sa punom penetraci jom spojevi ugaoni spojevi
c)
Uticaj materijala
debljine s na
sprječavanje skupljanja
d)
Remote
spriječavanje skupljanja poslije zavarivanja drugim dijelovima konstrukcije
e)
Dejstvo predgrijavanja
Zb = 5
Zb = 8
s ≤ 10mm 10 < s ≤ 20mm 20 < s ≤ 30mm 30 < s ≤ 40mm 40 < s ≤ 50mm 50 < s ≤ 60mm 60 < s ≤ 70mm 70 < s
Malo spriječavanje: Srednje spriječavanje: Veliko spriječavanje:
Zc = 2* Zc = 4* Zc = 6* Zc = 8* Zc =10* Zc =12* Zc =15* Zc =15*
Slobodno skupljanje moguće (T spojevi) Slobodno skupljanje ograničeno Slobodno skupljanje nije moguće
Zd = 0 Zd = 3 Zd = 5
Bez predgrijavanja Ze = 0 Ze = -8 Predgrijavanje 100°C *Moţe se smanjiti za 50% za materijale opterećene, u s mijeru po debljini, pritiskom u toku preteţno statičkog opterećenja
6
Zaključak
8
Literatura
[1] I. Hajro, Izbor materijala i analiza havarija, Skripta, Mašinski fakultet Sarajevo, 2013 . [2] T. Volkov Husović, Stručni rad, Strategija izbora metalnih materijala, Savez inţinjera metalurgije Srbije i Crne Gore, Tehnološko -metalurški fakultet, Katedra za metalurško inţinjerstvo, Beograd, 2005. [3] M. F. Ashby, Materials selection in mechanical design, 4th Ed., Elsevier, 2011. [4] BS EN 1993-1-1: 2005, Eurocode 3: Design of steel structures, Part 1-1: General rules and rules for buildings, British Stadards, 2005. [5] D. Skejić, B. Androić, D. Dujmović, Izbor čelika s obzirom na ţilavost, Građevinar, Vol.64 No.10. , Sveučilište u Zagrebu, Građevinski fak ultet, Novembar 2012. [6] O. Hechler, G. Axmann, B. Donnay, The right choice of steel – according to the Eurocode, ArcelorMittal, Research and Development, Luxembourg, 2009. [7] G. Sedlacek, M. Feldmann, B.Kuhn, D. Tschickardt (da li ih sve nabrajati), Commentary and worked examples to EN 1993-1- 10 „Material toughness and through thickness properties“ and other toughness oriented rules in EN 1993, JRC Scientific and tehnical reports, 1st Ed., Aachen, Germany, September 2008. [8] BS EN 1993-1-10: 2005, Eurocode 3: Design of steel structures, Part 1-10: Material toughness and through-thickness properties, British Standards, 2005.
