metalne konstrukcije budjevac opste 1

1 OSNOVEMETALNIH ALNIH KONSTRUKCIJ A 1 UVOD 1.1 KARAKTERISTIKE METALNIH KONSTRUKCIJA Upotreba gvož!a, a potom "elika, kao materijala za nose#e konstrukcije u gra!evinarstvu, je relativno skorijeg datuma. Prva konstrukcija od gvož!a stara je tek nešto više od 200 godina. Za izvo!enje gra!evinskih objekata sa nose#om konstrukcijom od metala "elik predstavlja još i danas po upotrebljenoj koli"ini glavni materijal, mada se poslednjih decenija uo"ava i pove#ana upotreba aluminijuma. $eli"ne konstrukcije poseduju specifi"na svojstva i zna"ajne tehni"ke i funkcionalne prednosti u odnosu na druge gra!evinske materijale, te zato imaju široku primenu za sve vrste gra!evinskih konstrukcija. Tako!e, karakteriše ih izuzetno brz trend razvoja koji je prouzrokovan pojavom i razvojem novih savremenih metoda prora"una i analize, novih visoko sofisticiranih konstrukcijskih sistema, zatim razvoj potpuno automatizovanih sistema za izradu radioni"ke dokumentacije na ra"unaru, kao i sistema za izradu konstrukcija u radionici i novih postupaka montaže na gradilištu. $elik, kao osnovni materijal za nose#e metalne konstrukcije, se koristi skoro za sve ti pove gra!evinskih objekata kao što su: industrijske hale, spratne zgrade, izložbene i sportske dvorane, hangari, krovovi stadiona, garaže, mostovi, rezervoari, silosi, bunkeri, vodotornjevi, antenski stubovi, stubovi dalekovoda, dimnjaci, ustave, ofšor-platforme i mnoge druge konstrukcije za specijalne namene. Ukupna proizvodnja konstrukcionog "elika u nekim zemljama Evrope, sa procentualnim u"eš#em pojedinih tipova "eli"nih konstrukcija prema ukupnoj izgradnji za dati tip konstrukcije, prema podacima Evropske konvencije za "eli"ne konstrukcije (ECCS), prikazana je u tabeli %.%. Na osnovu ove tabele može se sagledati koliki je udeo "eli"nih konstrukcija u gra!evinskom konstrukterstvu razvijenih zemalja Zapada. Kao materijal za nose#e konstrukcije "elik poseduje izuzetne karakteristike u koje spadaju: − visoka mehani"ka svojstva, − male dimenzije i težine elemenata "eli"nih konstrukcija,

2

Metalne konstrukcije

− − − − − −

industrijalizovana proizvodnja, laka manipulacija, transport i montaža, relativno lako fundiranje, velika seizmi"ka otpornost, fleksibilnost i adaptibilnost, mogu#nost demontaže i trajna vrednost.

Tabela 1.1 - Pregled proizvodnje ! elika elika i procentualno u ! eš eš " "e ! eli eli ! !nih n ih konstrukcija za dati tip objekta prema ukupnoj izgradnji Zemlja Nema"ka Francuska Italija V. Britanija Španija Holandija

Proizvodnja (%000 t) %205

800 68 0 %%82 %084 482

Procentualno u"eš#e prema ukupnoj izgradnji Spratne Industrijske Neindustrijske Poljoprivre- Mostovi zgrade hale prizemne hale dni objekti %7 %0 %0 25 23 78 56 62 40 %% 20 7 %2 30 57 95 6% 85 40 30 85 55 %5 %0 26 80 40

Visoke mehani"ke karakteristike i duktilnost konstrukcionih "elika, mnogo ve#e nego kod drugih gra!evinskih materijala, obezbe!uju najve#i stepen iskoriš#enja nose#ih svojstava, a pri tom i znatnu plasti"nu rezervu nosivosti. To ima posebnog zna"aja pri izuzetnim ekstremnim optere#enjima kao što je sleganje temelja, dejstvo zemljotresa ili udar vozila o konstrukciju. Zahvaljuju#i izuzetnim mehani"kim svojstvima elementi "eli"nih konstrukcija, u pore!enju sa konstrukcijama od drugih materijala, imaju znatno manje dimenzije, a samim tim i manju težinu što omogu#ava lakšu manipulaciju i transport. Zbog male težine pogodne su za primenu u seizmi"ki aktivnim regionima. Optimalni rasponi pri primeni "eli"nih konstrukcija su bitno ve#i nego pri upotrebi drugih materijala, a pove#anje koštanja pri prekora"enju tih optimalnih raspona je minimalno. $eli"ne konstrukcije omogu#avaju savla!ivanje velikih raspona i visina, kako kod hala i spratnih zgrada, tako i kod mostova, pri "emu su težine i dimenzije nose#e "eli"ne konstrukcije bitno manje nego kod drugih gra!evinskih materijala. U mnogim slu"ajevima, kao na primer kod mostova izuzetno velikih raspona, hala velikih površina bez stubova, zgrada visoke spratnosti ili visokih tornjeva i jarbola nose#a konstrukcija od "elika predstavlja jedinu prihvatljivu soluciju. Zbog prethodno re"enog "eli"ne konstrukcije drže sve rekorde u gra!evinarstvu. Mostovi, bez sumnje, predstavljaju najve#e dostignu#e modernog graditeljstva, a posebno mesto svakako pripada metalnim mostovima, koji drže sve rekorde u pogledu raspona, visine subova i pilona, širine kolovozne table itd. Sli"na situacija je i u drugim oblastima primene, na primer, u zgradarstvu gde "eli"ne konstrukcije drže sve rekorde kako po visini, tako i po rasponima, brzini izgradnje itd. Sve brži porast broja ljudi i intenzivna migracija u velike gradove postavlja zahtev za napuštanjem konvencionalnih na"ina gra!enja i prelazak na potpunu industrijalizaciju gra!enja. Industrijalizacija obuhvata kompleksno planiranje, projektovanje, izradu, montažu, finalizaciju i održavanje objekata kroz jedan prostudiran koncept, koji objedinjuje sve u"e-

Osnove metalnih konstrukcija

3

snike u procesu izgradnje, kako bi se postavljeni ciljevi cil jevi ispunili uz ekonomisanje u vremenu i koštanju. Ovim se maksimalno koristi savremena tehnologija proizvodnje u fabrikama, a s tim u vezi dobija se bolji kvalitet i niža cena. Zna"ajnim smanjenjem radova na gradilištu, a time i uticaja faktora ""ovek" i "vremenski uslovi" ostvaruje se skoro potpuno eliminisanje nepredvi!enih radova. Za razliku od mnogih drugih pozitivnih osobina, osetljivost "eli"nog materijala na dejstvo korozije i požara predstavlja problem koji zahteva posebnu pažnju tokom izgradnje i ekspolatacije objekta. Zbog toga #e ovim problemima biti posve#ena dužna pažnja u knjizi, uz osvrt na neka savremena rešenja.

1.2 ISTORIJSKI RAZVOJ METALNIH KONSTRUKCIJA Ruda gvož!a se u prirodi uglavnom javlja kao ferit, magnetit, hematit, limonit i pirit. Da bi se gvož!e moglo koristiti ruda se mora osloboditi znatnih procenata ne"isto#a. Dugi niz godina su arheolozi pokušavali da odgonetnu tajnu o tome ko je bio pronalaza" gvož!a i njegove izrade. Me!utim ni najstariji spisi ne daju odgovor na ovo pitanje, jer oni govore kako je svaki stari kulturni narod dobijao svoje znanje o dobijanju gvož!a od nekog božanstva ili nekakve misteriozne li"nosti. Pri istraživanju velike Keopsove piramide %837. Hill ) je u njenim zidinama pronašao par "e gvož!a, "ija starost dostiže godine, Englez Hil ( Hill oko 5000 godina, a koje se kao najve#a retkost "uva u Britanskom muzeju u Londonu. Do bijanje metala u Kini i Indiji bilo je poznato od davnina, tako da je car Ju (Yu), 2000 godina pre nove ere, dobijao od stanovnika Tibeta gvož!e kao danak. Od Jevreja, Feni"ana, Jermena i drugih starih naroda preneta je veština izrade metala u najstarije kulturne države Evrope. Veština livenja gvož!a i gvozdenih predmeta starim narodima nije bila poznata, jer se liveno gvož!e javlja tek po"etkom XV veka i to mahom za izradu topova. Sve do srednjeg veka gvož!e se dobijalo redukcijom pomo#u drvenog uglja u rovovima ili niskim šahtnim pe#ima izgra!enim od blata i lomljenog kamena, a kasnije i u ve#im pe#ima. U XV veku iz šahtnih pe#i je razvijena visoka pe#, koja je zbog dovoda vazduha pomo #u vodom pokretanih mehova mogla biti zagrejana na višu temperaturu. Tek pronalaskom postupka do bijanja sirovog gvož!a pomo#u koksa u visokim pe#ima %735. godine omogu#ena je ve#a proizvodnja sirovog sirovog gvož!a, a time i njegova šira primena. Primena gvož!a u gra!evinskim konstrukcijama bila je uglavnom ograni#ena na po boljšanje poznatih tehnika spajanja spajanja elemenata. Upotreba eksera datira još od prvog mileni juma pre nove ere. Zavrtnjevi po"inju da se koriste od sredine XVI veka, a podvezice od kovanog gvož!a za spajanje elemenata drvene gra!e od XVII veka. Do pred kraj XVIII veka liveno gvož!e uglavnom je koriš#eno za alate i ratnu tehniku, tako da poznatih primera upotrebe gvož!a kao glavnog materijala za nose#e konstrukcije u gra!evinarstvu nema sve do kasnih godina XVIII veka, osim izuzetno retkih slu"ajeva u kojima je gvož!e jednostavno zamenjivalo zamenjivalo drvo, kamen kamen ili opeku. Prva nose#a konstrukcija od gvož!a u svetu podignuta je u periodu %777-%779. godine u mestu Kolbrukdejl u Engleskoj preko reke Severn (slika %.%) od strane Abrahama Darbija Abraham Darby). Most je lu"ni, raspona 30,6 m, sa strelom od %3,7 m. Most se sastoji od ( Abraham pet segmentnih segmentnih lukova lukova na tri zgloba zgloba na razmaku razmaku od %,5 m. Lukovi su izliveni iz dve polovine. U most je ugra!eno 378 t gvož!a. Most je i danas u upotrebi i služi za peša "ki saobra#aj. Prethodni pokušaj francuskih inženjera da izgrade most u Lionu %755. godine je propao, jer se nije moglo proizvesti liveno gvož!e u traženim koli"inama po konkurentnoj ceni.

4


Slika 1.1 - Most preko reke Severn u Engleskoj

Posle ove konstrukcije izveden je %796. godine tako!e lu"ni most, raspona 72,0 m, preko reke Ver kod Sanderlenda, po projektu Tomasa Vilsona ( Thomas Wilson), a zatim prvi lu"ni most u Nema"koj u Šleziji. Pronalaskom parne mašine postupak za dobijanje gvož!a u visokim pe#ima je postajao sve efikasniji zbog upotrebe mašina na parni pogon za uduvavanje prethodno zagrejanog vazduha. Potom je Henri Kort ( Henry Cort ), %784. godine, pronašao pudel-proces, odnosno postupak proizvodnje varenog gvož!a, sa svojstvima veoma sli"nim današnjem "eliku. U pudel pe#ima se sirovo gvož!e iz visokih pe#i dovodom zagrejanog vazduha i stalnim mešanjem duga"kim kukastim šipkama osloba!alo od ugljenika, silicijuma i mangana. Svojstva varenog gvož!a omogu#ila su izradu smelijih konstrukcija, tako da je od ovog materijala izveden most Britannia preko moreuza Menej, %850. godine (slika %.2). Most je bio dvokolose"ni za železni"ki saobra"aj, sa rasponima 7%,9+2x%4%,7+7%,9 m. Konstrukcija mosta sastojala se od dva odvojena paralelna sandu"asta nosa"a kroz koje prolaze vozovi. Ovaj objekat je posebno zna"ajan za razvoj mostova uopšte i predstavlja prete"u savremenih mostova sandu"astog popre"nog preseka. Progres u gra!enju mostova i krovova od varenog gvož!a brzo se proširio na sve razvi jene zemlje, što je zahtevalo proizvodnju novih oblika nose#ih elemenata, tako da je došlo do pojave prvih profila. Francuski inženjer Ferdinand Zores je uspeo %839. godine da izvalja prvi I-profil, potom U-profil i na kraju %852. godine po njemu nazvano Zores gvož!e, koje je kasnije široko primenjivano za obrazovanje kolovoznih tabli mostova. Mnogi nau"nici tog doba kao što su Francuzi - Navije ( Navier ), Lame, Klapejron (Cla peyron), Levi ( Levie) i Maso ( Massau), Italijani - Kremona, Kastiljano ( Kastigliano), Menabrea, Ovaca (Ovazza) i Gebria, Švajcarci - Bernuli ( Bernoulli), Ojler ( Euler ) i Tetmajer, (Tetmayer ), Englezi - Viliot (Williot ) i Maksvel ( Maxwell ), i Nemci - Vinkler ( Winkler ), Kulman (Culmann), Riter ( Ritter ), Gerber, Mor ( Mohr ) svojim neumornim radom postavili su teorijske osnove za projektovanje i izvo!enje novih, još smelijih konstrukcija.


5

Slika 1.2 - Most Britannia preko moreuza Menej

Poseban zna"aj za razvoj metalnih konstrukcija imao je pronalazak topljenog "elika, %855. godine, od strane Henrija Besemera ( Henry Bessemer ). $elik se proizvodio u velikim kruškastim okretnim posudama, zvanim konvertori, u rastopljenom stanju, te otuda i njegov naziv. Me!utim, do druge polovine XIX veka "elik se nije proizvodio u dovoljnim koli"inama i sa dovoljno niskom cenom da bi bio konkurent varenom gvož!u. Glavna razlika u hemijskom sastavu gornja dva metala je u sadržaju ugljenika. Most Sent Luis preko reke Misisipi završen %874. godine je prvi zna"ajan most napravljen od "elika (slika %.3). Most je lu"ni, raspona %53,0+%59,0+%53,0 m.

Slika 1.3 - Most Sent Luis preko reke Misisipi

6


Uvo!enjem Simens-Martinovog, a naro"ito Tomasovog postupka omogu#ena je posle %880. godine masovna proizvodnja "elika, dobrog kvaliteta, takozvanog topljenog "elika koji je i danas u upotrebi. Preko reke Ist ( East River ) u Njujorku završen je %883. godine vise#i Brookline Bridge, sa najve#im rasponom u to doba od 486,0 m (slika %.4).

Slika 1.4 - Bruklinski most preko reke Ist u Njujorku

Prva zna"ajna konstrukcija od "elika u Engleskoj je monumentalni Forth Bridge, raspona 2%0,0+52%,0+2%0,0 m, koji je završen %889. godine (slika %.5). Most je rešetkast, sistema Gerberovog nosa"a. Težina konstrukcije je 53.305 t, sa ugra!enih 6.500.000 zakivaka. Most je izuzetno impresivan, pa i danas izaziva pažnju inženjera širom sveta. Sve do %9%7. godine, kada je pušten u promet most u Kvibeku u Kanadi bio je to gredni most sa najve#im rasponom na svetu.

Slika 1.5 – Forth Bridge

7


Za mostove lu"nog sistema Francuzi imaju neosporno najve#e zasluge, ali ubrzo oni po"inju da se primenjuju u ve#em obimu u Nema"koj i drugim zamljama. Prvi lu"ni most nazvan Arcole od varenog gvož!a bez zglobova sagradio je Odri ( Oudry) %854. godine u Parizu. Raspon ovog mosta je 80,0 m, sa izuzetno malom strelom ( %/%3 raspona). Most Garabit (slika %.6) je jedan od najzna"ajnijih lu"nih mostova. Tako!e je izgra!en u Francuskoj, %884. godine, sa rasponom od %65,0 m. Projektant i graditelj ovog mosta je bio "uveni Gustav Ajfel (Gustav Eiffel ).

Slika 1.6 - Most Garabit

Godina %88%. je vezana za po"etke elektrolu"nog zavarivanja, a %928. za primenu zavarivanja u mostogradnji. Decembra %928. godine završen je most na Sludvi (Sludwa) u Poljskoj, prvi drumski most na svetu izra!en zavarivanjem. U po"etku primene, zavarivanje je dalo izuzetne rezultate, jer su mostovi postali jednostavnije konstrukcije, a jeftiniji od odgovaraju#ih zakovanih. Me!utim, ubrzo su, %936. godine, otkrivene pukotine u podužnom šavu izme!u rebra i nožica glavnog nosa"a železni"kog mosta u Berlinu. Ista ošte#enja otkrivena su i na drumskom mostu u Nema"koj, %938. godine. Nožice oba mosta bile su debele 60 mm, a šavovi su popucali u toku zime, na niskim temperaturama. Izme !u %938. i %940. godine tri mosta preko Albert-kanala u Belgiji, sistema Virendel nosa"a, doživeli su havarije usled krtog loma. Ove havarije su inicirale dopunska teorijsko-eksperimentalna istraživanja širom sveta, što je dovelo do novih saznanja u oblasti zavarenih konstrukcija, a kasnije i do toga da zavarivanje postane dominantan postupak spajanja pri izradi "eli"nih konstrukcija. Od velikih ameri"kih vise#ih mostova treba ista#i dva najve#a. Prvi je George Washington preko reke Hadson u Njujorku, sa rasponom od %067,0 m, gra!en od %927. do %932. godine. Autor projekta je poznati ameri"ki inženjer Aman (O. Amman). Drugi most je Golden Gate u San Francisku, sagra!en %937. godine, raspona %28%,0 m, koji je dugi niz godina bio most sa najve#im rasponom na svetu (slika %.7).

8


Slika 1.7 - Most Golden Gate u San Francisku

Najstarija primena gvozdenih konstrukcija u zgradarstvu datira iz %785. godine na jednoj ku#i u Boulonju, francuskog arhitekte Angoa, kod koje su primenjeni gvozdeni nosa "i me!uspratne konstrukcije raspona 6,5 m. Prve krovne konstrukcije od livenog gvož!a javljaju se po"etkom XIX veka i to po ugledu na ve # postoje#e sisteme od drveta. Najzna"ajnije krovne konstrukcije od livenog gvož!a su: krov za kupolu pariske zgrade Halle aux Bles pre"nika %3,86 m izveden %8%%. godine autora Belanža i Brunea ( Belange i Brunet ), toranj katedrale u Ruanu i krov bazena u kupatilu Diana u Be"u, obe iz %820. godine.

Slika 1.8 – Crystal Palace u Londonu

9


Prvu višespratnu konstrukciju od livenog gvož!a je %797. godine u Šrevzberiju (Engleska) sagradio Bejdž ( Bage). Petospratna fabri"ka zgrada je duga 54 m, širine %% m, korisne površine 2880 m2. Za prvu svetsku izložbu koja je otvorena %. maja %85%. godine izgra!ena je Crystal Palace u Londonu (slika %.8), za do tada ne"uveno kratko vreme od samo %7 nedelja. Konstrukcija je izvedena kao okvirna, sa vitkim gvozdenim stubovima i rešetkastim nosa"ima. Detalji spojeva livenog gvož!a odaju prefinjeni nivo, kako u projektovanju, tako i u zanatskom izvo!enju. U Francuskoj je %876. godine izgra!ena Ajfelova kula, visine 300 m, što je predstavljalo rekordnu visinu slede#ih 4% godinu. Zna"aj ove konstrukcije na budu#e visoke zgrade je u omogu#avanju prou"avanja dejstva vetra na ovako visoke objekte. Tokom poslednje decenije XIX veka u SAD je izgra!en veliki broj zgrada sa nose#om konstrukcijom okvirnog sistema. Tipi"ni primeri su Jenney's Fair Store ($ikago) iz %892. godine i Bruce Price's American Surety Building (Njujork) dvadesetospratnica ukupne visine 93,0 m. Prate#i ameri"ku praksu u Engleskoj je, kao prva zna"ajna zgrada kompletno izvedena od "elika, izgra!en hotel Ritz (slika %.9).

Slika 1.9 - Hotel Ritz

Slika 1.10 - Empire State Building

Razvoj višespratnih zgrada od "elika, okvirnog sistema i velikih visina, prvenstveno je vezan za Ameriku, pa su ovakvi objekti postali sinonimi arhitekture njenih velikih gradova. U prvoj deceniji dvadesetog veka u SAD se grade zgrade visine do 2%5 m, "iji je tipi"ni predstavnik 53-spratna zgrada Metropolitan Tower (Njujork) iz %909. godine. Godine %9%3. završen je Woolworth Building (Njujork), sa 55 spratova i visinom od 23%,8 m, što je bila rekordna visina u zgradarstvu do %930. godine, kada je rekord preuzeo Empire State Building . Ovaj objekat, doajen svih spratnih zgrada sa 38 %,0 m visine, bio je svetski rekorder u visini narednih 40 godina i ima %02 sprata sa preko 50.000 t ugra !enog "elika (slika %.%0).

%0


1.3 PRIMENA METALNIH KONSTRUKCIJA U MOSTOGRADNJI Mostovi, bez sumnje, predstavljaju najve#e dostignu#e modernog graditeljstva, a posebno mesto svakako pripada metalnim mostovima koji drže sve rekorde u pogledu raspona, visine stubova i pilona, širine kolovozne table itd. Velika nosivost "elika najbolje je iskoriš#ena pri izgradnji mostova velikih raspona, razli"itih stati"kih i konstrukcijskih sistema. Kako kod mostova sopstvena težina "ini veliki udeo u optere#enju, to primena "elika prestavlja "esto jedino optimalno rešenje. Najzna"ajniji vise#i mostovi velikog raspona u svetu su: ! = %990,0 m Akashi Kaikyo - Japan ! =

%4%0,0 m

Tsing Ma - Hong Kong

! =

%377,0 m

Verrazano Narrows - Njujork (SAD)

! =

%298,0 m

Golden Gate - San Francisko (SAD)

! =

%28%,0 m

Mackinac Staits - Mi"igen (SAD)

! =

%%58,0 m

Bosfor - Turska

! =

%074,0 m

George Washington - Njujork (SAD)

! =

%067,0 m

Tajo - Lissabon (Portugal)

! =

%0%3,0 m

! =

%006,0 m

Humber Bridge - Velika Britanija

Firth of Forth - Velika Britanija

Na osnovu novih saznanja i savremene tehnologije sagra!en je %964. godine u Americi most Verrazano Narrows u Njujorku (slika %.%%), "ime je nasledio Golden Gate, i postao most najve#eg raspona na svetu. Most je dvospratan, drumski, sa %2 kolovoznih traka.

Slika 1.11 - Most Verrazano Narrows u Njujorku


%%

Za nešto više od %00 metara premašen je ovaj rekord izgradnjom mosta preko reke Hamber ( Humber Bridge) u Velikoj Britaniji (slika %.%2), koji je pušten u saobra#aj %98%. godine. Most ima posebno oblikovanu kolovoznu tablu kako bi zadovoljio zahteve aerodinami"ke stabilnosti. Širina kolovozne table je 28,5 m.

Slika 1.12 - Most preko reke Hamber u Velikoj Britaniji

Trenutno se privode kraju radovi na vise#em "eli"nom mostu Akashi-Kaikyo (slika %.%3) koji #e po završetku montaže, %998. godine, i zvani"no postati most sa najve#im rasponom na svetu. Ovaj savremeni drumski most je predvi!en za šest traka auto puta i spaja#e japanski grad Kobe sa ostrvom Anjai. Veoma frekventan prekookenaski saobra#aj koji se odvija preko ovog vodenog puta (%400 brodova dnevno) zahtevao je širinu slobodnog plovnog profila od "ak %500,0 m. Stoga je usvojen raspon srednjeg, glavnog otvora od %990,0 m. Konstrukcija mosta je tipi"na za vise#e mostove: ukupan raspon (39%0 m) je podeljen na tri otvora (960+%990+960 m), a glavni nose#i kabl se prevla"i preko "eli"nih pilona koji se nalaze na srednjim stubovima i ankeruje u ankerne blokove na oporcima. Rekordan raspon uslovio je i rekordnu visinu pilona (297,2 m) koji su za oko %00 m viši od pilona postoje#ih mostova. Kolovozna tabla je širine 35,5 m, a visina grede za ukru#enje je %4,0 m. Mostovi sa kosim kablovima, poslednjih decenija, zbog bitno jednostavnije konstrukci je, potiskuju vise#e mostove kod raspona do 500 m. Prvi moderni most sa kosim kablovima sagra!en je preko Štrosmunda u Švedskoj %955. godine. Jedan od najzna"ajnijih mostova ovog sistema je Sent Nazaire (Francuska) sa rasponom od 404,0 m (slika %.%4). Dva zna"ajna mosta ovog tipa izgra!ena u Japanu poslednjih godina su Higashi-Kobe, ukupne dužine 885,0m i srednjeg raspona od 458,0 m i Ikuchi, srednjeg raspona 490,0 m.

%2


Slika 1.13 - Most Akashi-Kaikyo

Slika 1.14 - Most sa kosim kablovima Sent Nazaire

%3


S obzirom na dominantna naprezanja pritiskom, lu"ni mostovi nisu karakteristi"ni za vitke "eli"ne konstrukcije, pa se za pune nosa"e lu"nih mostova rasponi od 350 m do 400 m smatraju grani"nim. Maksimalni raspon lu"nih mostova sa punim limenim nosa"ima je Portmann u Kanadi, a samo nešto ranije sagra!en je i most 366,0 m i ostvaren je na mostu Portmann Ždakov Ždakov u bivšoj $ehoslova"koj sa rasponom 330,0 m. Od rešetkastih lu"nih mostova najzna Bayonne (Nju Džersi) sa rasponom od 504,0 m, završen %93%. godine (slika %.%5), "ajniji su Bayonne a samo nekoliko meseci kasnije, %932. godine, Sydney Harbour u u Australiji sa rasponom od 503,0 m. Rekordni raspon za rešetkaste lu"ne mostove od 5%8,0 m, ostvaren je, tako!e, u River Gorge Gorge (slika %.%6). SAD (Zapadna Virdžinija), %977. godine, mostom New River

Slika 1.15 - Bayonne Bridge

Slika 1.16 - New River Gorge Bridge

%4


Spregnuti mostovi imaju veliku primenu pri premoš#avanju prepreka srednjih raspona. U najzna"ajnije prednosti spregnutih mostova spadaju: oba materijala ("elik i beton) se koriste na najbolji mogu#i na"in, betonska kolovozna plo"a štiti "elik od korozije, smanjuje temperaturne uticaje i nivo buke, a koristi se i kao balast koji poboljšava dinami"ke karakteristike, odnosno redukuje vibracije mosta. Osim toga, primenom betonske kolovozne plo"e otpada potreba za velikim brojem sekundarnih "eli"nih elemenata, kao što su podužni nosa"i, spregovi za ko"enje i bo"ne udare, kao i spreg za vetar u nivou kolovoza. Ako se tome doda da su osnovni problemi kod spregnutih mostova, zatezanje betona u zoni srednjih oslonaca i zamor sredstava za sprezanje, pokriveni teorijskim i eksperimentalnim istraživanjima, jasno je zbog "ega je došlo do ekspanzije mostova ovog tipa. Imaju#i u vidu navedene prednosti, a posebno manju osetljivost na dinami"ke uticaje, spregnuti mostovi se u poslednje vreme veoma "esto koriste kako za drumske, tako i za železni"ke mostove, pogotovu za brze pruge. Tako je u Nema"koj u poslednjih par godina izveden ve#i broj spregnutih mostova za brze pruge. Kao posebno interesantni primeri primene spregnutih mostova za brze pruge izdvajaju se most preko Rajne u Nantenbahu i most Fulda Valley u Kragenkofu. Most preko Rajne u Nantenbahu (slika %.%7) je trenutno rekorder u pogledu raspona u kategoriji mostova za brze pruge. Stati"ki sistem ovog mosta je kontinualan nosa" na tri polja, raspona 83,2+208+83,2 m. Glavni nosa"i su dva paralelno postavljena "eli"na rešetkasta nosa"a promenljive visine (od 8,5 do %6,5 m), koji su "itavom dužinom mosta spregnuti sa betonskom plo"om na gornjem pojasu, a u zonama negativnog momenta, momenta, na srednjim osloncima i sa betonskom plo"om na donjem pojasu. Na ovaj na"in, dvostrukim sprezanjem, postignuta je znatno ve#a krutost konstrukcije, što predstavlja dominantan zahtev kod ovakvih mostova, a velika sila pritiska u oslona"koj zoni je "umirena" betonom, što je znatno jeftinije rešenje.

Slika 1.17 - Most preko Rajne u Nantenbahu


%5

Visokim markama betona za kolovozne plo"e koje su se izvodile kod spregnutih mostova, stalni teret na mostu je bitno redukovan u odnosu na stara rešenja, ali i dalje je ostao znatan, pa je došlo do daljeg napretka pronalaskom lake kolovozne table od "elika sistema ortotropne plo"e. Ortotropna plo"a se sastoji od relativno tankog lima ukru#enog popre"nim i podužnim rebrima, a plo "a je istovremeno i gornji pojas glavnih nosa"a. Preko lima se direktno nanosi asfaltni zastor. Prvi gredni most sa "eli"nom ortotropnom plo"om i sandu"astim glavnim nosa"ima bio je sagra!en u Kelnu preko reke Rajne, %948. godine, sa najve#im rasponom od %84,5 m, da bi ubrzo nakon toga po"ela primena ovog sistema i za mnogo ve#e raspone.

1.4 PRIMENA METALNIH KONSTRUKCIJA U ZGRADARSTVU Kao što se vidi na osnovu tabele %.%, najzastupljenija oblast gra!evinarstva u kojoj se koriste "eli"ne konstrukcije je zgradarstvo. Primena "eli"nih konstrukcija u industrijskoj izgradnji je izuzetno velika, jer "eli"ne konstrukcije na najbolji na"in prate sve tehnološke zahteve, omogu#avaju izgradnju objekata velikih raspona i prijem velikih optere#enja od kranova, a rekonstrukcija ovakvih objekata usled promene tehnološkog procesa ne predstavlja ve#i problem. Na slici %.%8 prikazana je jedna industrijska hala u fazi montaže.

Slika 1.18 - Industrijska hala u fazi montaže

Poslednjih godina se i u oblasti industrijskih hala javljaju novi atraktivni sistemi, tako da novi industrijski objekti predstavljaju, osim funkcionalnih i tehnoloških, i zna"ajna estetska,

%6


odnosno arhitektonska rešenja. Takva savremena arhitektonska rešenja prate i novi konstrukcijski sistemi. Jedno od ovakvih rešenja je fabrika INMOS u Velikoj Britaniji za proizvodnju elektronskih komponenti - "ipova, koja je veoma upe"atljivog izgleda (slika %.%9). Objekat je projektovan kao prizeman, višebrodan, uz veliki broj elemenata koji se mogu lako montirati uz maksimalnu prefabrikaciju, kako bi se brzo gradio brod po brod. Glavni nose#i sistem predstavlja podužno postavljena "ki"ma" dužine %06,0 m i širine 7,2 m sa pilonima. O pilone su ovešeni glavni rešetkasti nosa"i koji formiraju brodove dimenzija %3,0x36,0 m. Kompletna konstrukcija je izvedena od šupljih profila. Konstruktivni sistem daje maksimalnu fleksi bilnost unutrašnjem prostoru bez stubova.

Slika 1.19 - Fabrika INMOS iz Velike Britanije

Konstrukcioni sistemi visokih zgrada pretrpeli su revolucionarne promene otkad su uvedeni cevni sistemi. Pravougaoni prizmati"ni ideal 50-ih i 60-ih godina zamenjen je ne prizmati"nim oblicima, koji uglavnom odgovaraju mestu izgradnje, urbanisti"kim uslovima i vizuelnom efektu promenljivog vertikalnog profila. Cevni sistemi, kao što su sistem okvirnih cevi, rešetkastih cevi i svežnja cevi, su veoma prilagodljivi takvim promenama i razli"itim usavršenjima, te su našli široku primenu kod izuzetno visokih zgrada. Ovakvi, cevni sistemi omogu#ili su izvo!enje širokog spektra visokih zgrada sa 30 do %%0 spratova. Posle završetka II svetskog rata novi visinski rekord je postignut %972. godine sa dve kule bliznakinje visine 4%7,0 m, poznate kao World Trade Center u Njujorku (slika %.20). Dve godine kasnije u $ikagu je izgra!en Sears Tower (slika %.2%) koji je svojom visinom od 442,0 m postavio novi rekord. Ova %09 spratova visoka zgrada predstavlja složeni "or-

%7


ganizam", "iji elektri"ni sistem može da opsluži grad od %47.000 stanovnika, sa %02 lifta koja prevoze dnevno u proseku %6.500 korisnika. Razvojem cevnih sistema došlo se do koncepta svežnja cevi koji je prvi put primenjen kod ovog objekta. Potreba za smanjenjem mase po visini rodila je ideju o usnopljavanju cevi manje veli"ine koje mogu da budu razli"itih visina. Konstrukcijska efikasnost ukupnog sistema bitno je poboljšana postojanjem unutrašnjih ravnih okvira koji smanjuju " shear lag " efekat same spoljašnje cevi. Modularnost i konceptualna osnova svežnja cevi ima široku primenu, jer se cevne #elije mogu organizovati na više na"ina pri "emu se cev može izvesti u bilo kakvom zatvorenom obliku.

Slika 1.20 - World Trade Center

Slika 1.21- Sears Tower

Jedna od najnovijih zgrada izvedenih u ovom sistemu je Bank of China u Hong Kongu, koja sa svojih 86 spratova i 369,0 m predstavlja "etvrtu po visini spratnu zgradu u Aziji, a sedmu na svetu (slika %.22). Zgrada je u osnovi kvadratna, dimenzije stranice 60 m, sa "etiri razli"ita tipa spratnih osnova koje se dobijaju tako što se po visini redukuje za po jedan jednakokraki trougao na "etvrtom, dvadesetpetom, tridesetosmom i pedesetprvom spratu. Istraživanja novih stati"kih i konstruktivnih sistema visokih zgrada dovelo je do primene sistema sa višestruko manjim utroškom "elika za spratne zgrade iste visine, spratnosti i namene. Primer uspešnog i ekonomi"nog rešenja je zgrada John Hancock Center u $ikagu (slika %.23).

%8


Slika 1.22 - Bank of China

Slika 1.23 - John Hancock Center

Mešoviti "eli"no-betonski sistemi danas su opšte prihva#eni i koriste se toliko "esto kao i potpuno "eli"ni ili armiranobetonski sistemi. Najpovoljnije osobine betona su krutost i mogu#nost oblikovanja u razli"ite forme konstruktivnih elemenata. Zato se ve#ina mešovitih sistema oslanja na beton za prijem horizontalnog optere#enja (npr. monolitni zidovi, perforirani zidovi ili okvirno cevni elementi sa monolitnim betonskim vezama greda-stub). Za me!uspratnu konstrukciju povoljno je upotrebiti "elik zbog mogu#nosti premoš#enja ve#ih raspona lakšim elementima "ime se ostvaruje ve#i prostor bez stubova. U ovu svrhu široko je primenjen sistem spregnutih me!uspratnih konstrukcija na profilisanim limovima. Savremeni konstruktivni sistemi za spratne zgrade predstavljaju i "super-okviri" portalnog tipa, koji se nalaze u fasadi zgrade. Portalni "super-okvir" sastoji se od vertikalnih oslonaca na uglovima zgrade koji su povezani horizontalnim elementima na svakih %2-%4 spratova. Na ovaj na"in maksimalno se efikasno primaju horizontalne sile jer su horizontalni i vertikalni elementi me!usobno kruto vezani i imaju zna"ajne dimenzije u ravni okvira. Hotel De Las Artes Tower izgra!en je u Barseloni u ovom sistemu (slika %.24). Ovaj objekat sastoji se od 45-spratnog hotelskog dela visokog %35,0 m i desetospratnog poslovnog bloka. Najinteresantniji je hotelski toranj koji je izveden kao okvirna "eli"na konstrukcija sa ukrštenim dijagonalama izba"enim ispred zida zavese za %,5 m, "ime je zadovoljen kriterijum protivpožarnog projektovanja. Osnova zgrade je kvadratna 30,0x30,0 m. Vertikalni spregovi u uglovima me!usobno su povezani u nivou prvog, tridesetre#eg i poslednjeg sprata, "ime je ostvareno dejstvo "super-okvira". Završetkom Petronas Towers u Kuala Lumpuru (Malezija) %996. godine, ove dve 88spratne kule postale su najviše zgrade na svetu sa 450,0 m visine (slika %.25), mada se oko toga još vode polemike u svetu, zbog uzimanja u obzir šiljaka na vrhu zgrade pri odre!iva-

%9


nju visine ovog objekta. U nivou 4% i 42 sprata kule su povezane pasarelom dužine 58,4 m, na %70 m od nivoa ulice. U kule je ugra !eno 36.9%0 t "elika i %60.000 m3 betona, 65.000 m2 pokriva"a od ner !aju#eg "elika i 77.000 m2 stakla. Vertikalni transport se obavlja se 29 dabl-dek liftova velike brzine i po %0 elevatora u svakoj kuli.

Slika 1.24 - De Las Artes Tower

Slika 1.25 - Petronas Towers

Lista najviših zgrada na svetu sistematizovanih po visini je: Petronas Tower (%996) - Kuala Lumpur (Malezija) 450 m Sears Tower (%974) - $ikago (SAD) 442 m Jin Mao Building (%998) - Šangaj (Kina) 420 m World Trade Center (%973) - Njujork (SAD) 4%7 m Empire State Building (%93%) - Njujork (SAD) 38% m Cental Plaza (%992) - Hong Kong (Kina) 374 m Bank of China Tower (%989) - Hong Kong (Kina) 369 m T&C Tower (%997) - Kaošing (Tajvan) 347 m Amoco Building (%973), $ikago (SAD) 346 m John Hancock Center (%969) - $ikago (SAD) 344 m U budu#nosti se o#ekuje izgradnja zgrada još ve#e visine, tako da ve# postoje idejni projekti za zgradu Millennium Tower - Tokijo (Japan) od 840 m visine i za World Trade Center u $ikagu (SAD), sa 70% m visine. Adaptacija i rekonstrukcija starih zgrada predstavlja "est problem u velikim gradovima, koji se dodatno komplikuje u slu"ajevima kada treba zadržati postoje#u fasadu ukoliko ona

20


predstavlja kulturno-istorijsku vrednost. Ovakvi problemi se danas u svetu skoro isklju"ivo rešavaju primenom "eli"nih konstrukcija. Ilustracija ovoga je stara zgrada Princess koja je podignuta %903. godine kao skladište pamuka u sadašnjem centru Man"estera. Njena atraktivna fasada morala je biti sa"uvana prilikom promene namene zgrade u kancelarijski prostor. Kako je postoje#i prostor bio nepodesan, to je kompletna stara zgrada iza fasade srušena i ponovo sagra!ena kao "eli"na okvirna konstrukcija (slika %.26). $elik kao materijal za nose#u konstrukciju je izabran zbog brzine gra!enja, male raspoložive visine me!uspratne konstrukcije i radi obezbe!enja stabilnosti fasade (sistem skela).

Slika 1.26 - Izgled ! eli! ne konstrukcije i stare fasade zgrade Princes

Osim industrijskih hala i skladišta, te spratnih zgrada, primena "eli"nih konstrukcija u zgradarstvu ogleda se i kroz višespratne javne garaže, izložbene i sportske dvorane i hangare. Na slici %.27 prikazan je hangar za avione na aerodromu u Minhenu širine 60,0 m, dužine %50,0 m i visine %6,0 m.

Slika 1.27 - Hangar za avione na aerodromu u Minhenu


2%

1.5 PRIMENA METALNIH KONSTRUKCIJA U SPORTSKIM OBJEKTIMA Svaki veliki sportski doga!aj daje mogu#nost zemlji doma#inu da na izgra!enim objektima pokaže nivo svog gra!evinskog konstrukterstva. Sportske dvorane i krovovi stadiona zbog velikih raspona predstavljaju izuzetno "estu oblast primene "eli"nih konstrukcija. Sportska arena u Kadomi (Japan) je izuzetan objekat specifi"an i po na"inu montaže (slika %.28). Ova arena sadrži glavnu dvoranu sa atletskom stazom po me!unarodnim standardima i 2 dvorane za odbojku i košarku. Konstrukcija je izvedena u vidu prostornog rešetkastog elipti"nog nosa"a (%27,0x%%%,0 m u osnovi) koji je nagnut u odnosu na horizontalu za 5°. Ovaj nosa" se sastoji od %0.572 štapa, koji su izra!eni od šupljih profila kružnog popre"nog preseka. Ukupna stati"ka visina je 2,6 m. Ukupna težina "eli"ne krovne konstrukcije je %.%86 t i podignuta je pomo#u hidrauli"kih presa koje su bile postavljene na %6 jarmova pre"nika 2,0 m.

Slika 1.28 - Sportska arena u Kadomi (Japan)

Krovovi za pokrivanje tribina stadiona izgra!enih za održavanje svetskog prvenstva u fudbalu u Italiji su dali mogu#nost za realizaciju interesantnih konstruktivnih rešenja, me!u kojima se izdvajaju dva: krov stadiona San Siro u Milanu i Olimpijskog stadiona u Rimu. Krov stadiona u Milanu izveden je kao roštiljna konstrukcija od rešetkastih nosa"a visine 9,5 m koji se oslanjaju na 4 ugaona tornja, formiraju #i pravougaonik %48,0x205,0 m. Na Olimpijskom stadionu u Rimu, projektanti su zbog postoje#ih ograni"avaju#ih uslova primenili originalno rešenje. Krovna konstrukcija je formirana od zatvorenog rešetkastog obodnog prstena pre"nika 308,0 m, radijalno raspore!enih "kablovskih rešetki" i centralnog zatežu#eg kablovskog prstena. Sistem za pokrivanje ura!en je od PTFE membrane. Kablovske rešetke su radijalno orijentisane iz dva centra iz kojih se formira kompletna geometrija stadiona. Sile koje prenose kablovske rešetke prikuplja centralni prsten. Gornji i donji kablovi radijalno postavljenih kablovskih rešetki vezani su za unutrašnje strane spoljašnjeg ankernog prstena. Glavne dimenzije ovog prstena su 307,94 m u podužnom pravcu i 237,22 m u popre"nom pravcu. Prsten je tropojasna prostorna rešetka visine %2,5 m i osnove %0,5 m.

22


Slika 1.29 - Stadion Ajaksa u fazi izgradnje

Juna %996. godine Ajaks je izgradio novi stadion nazvan Amsterdamska arena (slika %.29). Konstrukcija stadiona jedinstvena je u Evropi iz razloga što je ovo prvi stadion sa potpuno uvla"ivim pokretnim krovom. Ukupni troškovi izgradnje iznosili su %34 miliona US $. Stadion ima 52.000 sedišta, koja imaju izvanredan pregled terena. Dimenzije objekta su impozantne tako da dužina iznosi 235,0 m, širina %65,0 m, a visina 85,0 m. Uvla "e#i pokretni krov se sastoji od dva panela svaki dimenzija 40,0 x %20,0 m. Ukupna površina krova iznosi 38.000 m2. Glavna nose#a konstrukcija krova sastoji se od dva popre"no postavljena lu"na rešetkasta nosa"a i sekundarnih rešetkastih nosa"a. Ispod stadiona prolazi autoput, a sam teren je 7 m iznad nivoa mora. Za Svetsko prvenstvo '98. u Fracuskoj tako!e su izgra!eni novi ili rekonstruisani posto je#i stadioni. Me!u %0 stadiona na kojima #e se odigravati utakmice svojim rešenjem izdvaja se Stade de France u Parizu za 80.000 gledalaca. Krovna konstrukcija je vise #a, ukupne težine %3.000 t.

1.6 PRIMENA METALA U SPECIJALNIM OBJEKTIMA U ovu grupu objekata spadaju svi oni koji nisu prethodno pomenuti, a to su: rezervoari (slika %.30), cevovodi (slika %.3%), silosi, bunkeri, antenski stubovi, dimnjaci, stubovi dalekovoda, hidrotehni"ke konstrukcije i mnoge druge konstrukcije specijalne namene.

Slika 1.30 - Rezervoari za naftne derivate

23


Slika 1.31 - Cevovod u rafineriji nafte

Me!u savremenim objektima svojim kreativnim i neobi"nim oblikom izdvaja se piramida u Luvru u Parizu (slika %.32). $iste linije piramide, vanvremenski moderne su simbol oživljavanja ovog velikog muzeja. Piramida je visine 20,9 m. Svaka strana piramide sasto ji se od sistema konusa po uzoru na dijamant koji formiraju %28 rešetkastih nosa"a sa %6 razli"itih dužina. Spoljašnju stranu formiraju okviri ura!eni od ner !aju#eg "elika koji za jedno sa sistemom žica obezbe!uju jedinstvo konstrukcije.

Slika 1.32 - Piramida u Luvru

24


U specijalne objekte spadaju i solarni dimnjaci koji pretvaraju sun"evo zra"enje u elektri"nu energiju na neobi"an na"in, kombinuju#i principe staklene bašte, dimnjaka i turbine na vetar. Ideja o ovakvoj kombinaciji je potpuno nova, ali sa pove #anjem troškova energi je, sa jedne strane, i "injenice da su visoki dimnjaci tehni"ki dostižni, sa druge strane, postalo je razumno ostvariti je. Staklena bašta služi kao akumulator sun"eve energije i pokriva kružnu površinu. Sastoji se od razapetog horizontalnog krova od providne plastike ili stakla otvorenog po periferiji i postavljenog nisko iznad zemlje. U središtu krova je cilindri"ni dimnjak oko "ije osnove je krov "vrsto vezan. Otvor u osnovi dimnjaka je ispod krova tako da se vazdušna masa usisava naviše kroz cilindar dimnjaka. Vazduh zbog toga ulazi u prostor ispod krova po obodu i struji ka dimnjaku, a da mu se pri tome pove #ava temperatura pod dejstvom sunca. Zagrejan vazduh prouzrokuje strujanje naviše kroz dimnjak, koje je dovoljno jako da pokre#e turbinu. Troškovi ovako dobijene energije su 0,25 DEM/kWh. Ovakav dimnjak je izra!en u mestu La Man"a %70 km južno od Madrida (slika %.33).

Slika 1.33 - Solarni dimnjak u mestu La Man ! a (Španija)

Stalnim porastom zahteva za naftom, gasom, ugljem i drugim materijalima, bušenje i proizvodne akativnosti su se poslednjih godina širile do sve nepristupa"nijih predela. Ofšor industrija je svedok izgradnje velikog broja raznovrsnih platformi po celom svetu. Od %940. godine broj ofšor platformi u zalivima i okeanima sveta danas premašuje %0.000. Postavljanje prve "eli"ne konstrukcije ofšor platforme bilo je u Meksi"kom zalivu, %947. godine, na dubini od 6,0 m. Od tada je ofšor industrija svedok evolucije mnogih projekata platformi (slika %.34).

25


Slika 1.34 - Evolucija ofšor platformi

Trenutno u svetu radi preko 3.700 ofšor platformi sa glavnim lokacijama u Meksi"kom zalivu, Severnom moru i Arktiku. Ve#ina ovih platfomi je izvedena u vidu zavarenih cevnih konstrukcija zbog niza prednosti. Razlog njihove popularnosti je velika nosivost, uz minimum površine izložene silama mora i vetra. Trenutno najviša "eli"na platforma na svetu je platforma Bullwinkle koja je postavljena u Meksi"kom zalivu %988. godine. Visine je 485 m i teška preko 7%.000 t sa dimenzijama osnove %22,0x%46,0 m. Posebnu oblast predstavljaju metalne konstrukcije u hidrotehnici. Zbog na"ina eksploatacije, složenosti konstrukcionih oblika i višeg stepena mehani"ke obrade, ove konstrukci je se u inženjerskoj praksi nazivaju hidromehani"kom opremom. Ove konstrukcije se uglavnom primenjuju kod objekata koji služe za: regulaciju voda, eksploataciju voda i zaštitu od voda. Najzna"ajnija primena je kod ure!enja vodenih puteva, i kod hidroenergetskih i akumulacionih sistema. Primenjuju se i kod sistema za zaštitu od velikih voda, posebno od morske plime. Tako!e, ove konstrukcije se primenjuju kod melioracionih sistema i vodozahvata. U savremenim vodenim putevima metalne konstrukcije se javljaju u sklopu: brodskih prevodnica, liftova za brodove, kosih rampi, kanalnih mostova i luka i dokova. Kod hidroenergetskih i akumulacionih sistema ove konstrukcije se javljaju kod: zatvara"a, ulaznih gra!evina, cevovoda itd.

1.7 ALUMINIJUMSKE KONSTRUKCIJE Aluminijumska industrija u okviru industrije metala zauzima ubedljivo drugo mesto iza "elika. Zna"aj aluminijuma, odnosno njegovih legura, danas je takav da su "itave industrijske grane kao što su: avioindustrija, industrija vagona, gra!evinarstvo i mnoge druge, za-

26


visne od ovog strateškog materijala. U gra!evinarstvu aluminijum i aluminijumske legure pretežno nalaze primenu u obliku elemenata za oblaganje objekata, bravarije, gra!evinske stolarije, pa i za nose#u konstrukciju. Ova primena je u industrijski razvijenim zemljama dosta zna"ajna i zauzima do 30% od ukupne proizvodnje aluminijuma. Za nose#e konstrukcije u gra!evinarstvu do sada su se aluminijumske legure skromno primenjivale prevashodno zbog višestruko ve#e cene od "elika. Ipak, tehnološke, upotrebne i druge osobine aluminijumskih legura su takve da pod odre!enim okolnostima, pravilnom primenom svih tehnoekonomskih parametara, primena ovog materijala za nose#e konstrukcije u gra!evinarstvu može imati puno opravdanje. U svetu u poslednjih 20 godina postoji "itav niz primera, "ak i kapitalnih reprezentativnih objekata, "ija je nose#a konstrukcija izra!ena od aluminijumskih legura.

1.8 RAZVOJ METALNIH KONSTRUKCIJA U SRBIJI Razvoj tehnike projektovanja i gra!enja "eli"nih konstrukcija u Srbiji usko je povezan sa gra!enjem državnih železnica posle %880. godine. Najzna"ajniji most iz ovog perioda je stari železni"ki most preko reke Save u Beogradu, završen %884. godine. Ovaj most je više puta rušen (slika %.35) i ponovo obnavljan. Do %895. godine pored železni"kih bilo je samo osam drumskih "eli"nih mostova, a od %895. godine pa do %904. godine završeno je još devetnaest. Svi mostovi ve#eg raspona na prvoj pruzi Beograd-Niš bili su "eli"ni. Me!utim, projektovanje izradu i montažu ovih mostova vršile su inostrane firme. Za manje raspone ra!eni su mostovi sa glavnim nosa"ima u vidu punih limenih nosa"a, a za ve#e raspone sa rešetkastim glavnim nosa"ima. Svi mostovi su bili u zakovanoj izradi. Iz ovog perioda najzna"ajnija ostvarenja su: vijadukt Ralja raspona 4x43=%72,0 m, most preko Velike Morave kod &uprije raspona 4x80=320,0 m, most preko Južne Morave kod Cerovca raspona 3x50=%50,0 m i most preko Južne Morave kod Supovca raspona 4x50,0=200 m.

Slika 1.35 - Železni! ki most preko Save srušen u Prvom svetskom ratu


27

U prilikama koje su vladale tih godina bilo je više nego smelo i pomišljati na samostalno projektovanje "eli"nih mostova. Bez oslonca na tradiciju, na bilo kakvu industriju, osposobljen samo solidnim školskim znanjem, onoliko koliko se tada iz najboljih škola moglo poneti, inženjer Jefta Stefanovi# je projektovao "eli"ni most za drumski saobra#aj preko Morave kod Ljubi"eva na putu Smederevo-Požarevac. To je bio prvi ve #i most koji su projektovali naši inženjeri i po"etak razvoja tehnike projektovanja "eli"nih mostova u Srbiji. Velika šteta po dalji razvoj ove discipline u Srbiji je što se ovaj most pod probnim optere#enjem srušio. Za utvr !ivanje uzroka nesre#e pozvani su najpoznatiji stru"njaci za "eli"ne mostove tog vremena, Tetmajer iz Ciriha i Gerber iz Minhena. Ceo ovaj slu "aj rušenja bio je tada potpuno rasvetljen i ušao je u svetsku literaturu. Posledice rušenja Ljubi"evskog mosta bile su fatalne za dalji napredak struke. Izgubljeno je poverenje u naše inženjere, a i oni sami su izgubili veru da su kadri da se dalje bave projektovanjem "eli"nih mostova. To je negativno uticalo i na rad na fakultetu u pogledu osposobljavanja mladih stru"njaka za projektovanje "eli"nih konstrukcija. Taj period neaktivnosti trajao je do završetka Prvog svetskog rata. Po završetku Prvog svetskog rata u oslobo!enoj zemlji skoro svi mostovi su bili porušeni, pa je prvi zadatak inženjera bio uspostavljanje drumskog i železni"kog saobra#aja. Trebalo je obnoviti veliki broj porušenih "eli"nih mostova, definitivno ili privremeno. Strani kapital, osetivši da u Srbiji postoje izgledi za nove poslove i ra"unaju#i na jeftinu radnu snagu, udružuje se sa doma#im kapitalom i podiže ve#e radionice za izradu "eli"nih konstrukcija, prvo u Smederevu, a potom u Smederevskoj Palanci, Kruševcu i Nišu. Sem u ovim radionicama, znatan broj "eli"nih mostova poru"uje se iz inostranstva na ra"un reparacija, a tom prilikom naši inženjeri u svojstvu prijemnih organa dolaze u kontakt sa ovom vrstom industrije u inostranstvu. Zbog ovakve situacije nastava na fakultetu iz oblasti "eli"nih konstrukcija dobija sve ve#i zamah, pa mladi inženjeri izlaze iz škole sa zna"ajnim teorijskim i prakti"nim znanjem iz "eli"nih konstrukcija i polako istiskuju strance sa ovih poslova. Kao posledica ovoga proizašao je izuzetno impozantan broj zakovanih, pa "ak i zavarenih "eli"nih konstrukcija mostova projektovanih od strane naših projektanata i izvedenih u našim radionicama. Prva zavarena nose#a "eli"na konstrukcija u našoj zemlji je drumski most preko reke Grze na putu Pan"evo-Zaje"ar, sagra!en %932. godine. Most je stati"kog sistema proste grede raspona 24,7 m, izveden kao pun limeni nosa". Glavni projektant je bio profesor Milan Radojkovi#. Treba napomenuti da je prvi zavareni most u Evropi izgra !en decembra %928. godine, a da su u Nema "koj prvi propisi za zavarene konstrukcije izašli %93%. godine (DIN 4%00). Prvi železni"ki most na ovim prostorima u zavarenoj izradi bio je most na pruzi Ustipra"a-Fo"a, pušten u saobra#aj %938. godine. Na ovom mostu, koji je tako !e projektovao profesor Radojkovi#, projekat, tehnika zavarivanja, na"in izvršenja, kontrola kvaliteta i izbor elektroda bili su u potpunosti na savremenom nivou. Drumsko-železni"ki most preko reke Save kod Šapca je stati"kog sistema rešetkastog kontinualnog nosa"a sa zglobovima raspona 2x%25,0+%80,0+2x%25,0=680,0 m. Širina mosta je 6,5 m. Ukupna težina "eli"ne konstrukcije je bila 6.%00 t. Železni"ka pruga KraljevoRaška-Kosovska Mitrovica preseca %5 puta reku Ibar. U toku %929-%930. godine izgra!ena su 23 "eli"na mosta raspona 4,5 do %00,0 m. Me!u njima je %6 velikih "eli"nih mostova i to: 2 mosta raspona po 60 m, 4 mosta raspona po 80 m, 7 mostova raspona po 90 m i 3 mosta raspona %00 m. Glavni nosa"i ovih mostova su rešetkasti sa poluparaboli"nim gornjim pojasem, osim tri mosta raspona od 90 i %00 m, koji imaju glavne nosa "e sa paralelnim pojasevima i rombi"nom ispunom. Štapovi glavnih nosa"a su sandu"astog preseka,

28


obrazovanih zakivanjem. Projektovanje, izradu i montažu ovih mostova izvršila su uglavnom doma#a preduze#a, a me!u njima i SARTID iz Smedereva. Slede#i zna"ajan most bio je na pruzi Beograd - Pan "evo preko Dunava, izgra!en %934. godine, kao drumsko - železni"ki most, koji je u to vreme bio najduži most u Evropi. Konstrukcija mosta izvedena je kao sistem "eli"nih rešetkastih prostih greda raspona 7x%6%,0=%%27,0 m preko reke i 8 konstrukcija "eli"nih limenih prostih greda raspona 8x32,0=256,0 m na prilazima. Tokom Drugog svetskog rata most je dva puta rušen. U isto vreme kada i Pan"eva"ki most, %934. godine, završen je i prvi vise#i most u Sr biji, poznat kao most kralja Aleksandra I (slika %.36), na lokaciji preko reke Save u produžetku Brankove ulice, dispoziciono oblikovan kao greda raspona 26%,0 m, ovešena na lan"anicu sa prepustima dužina 75,0 m. Inundacioni otvor na desnoj obali ura!en je u vidu jedne "eli"ne proste grede raspona 47,0 m. Most je, pored drumskog i peša "kog saobra#a ja, koriš#en i za prevo!enje tramvaja na trasi prema Zemunu. Ovaj most je %94%. godine doživeo sudbinu ostalih mostova. Prilikom bombardovanja Beograda potpuno je srušena glavna nose#a konstrukcija mosta preko reke. Most nije obnavljan u toku rata.

Slika 1.36 - Most kralja Aleksandra I preko Save u Beogradu

Zahvaljuju#i ste"enim iskustvima naših inženjera na prethodnim, zna"ajnim objektima, i napredovanju visokoškolske nastave iz oblasti metalnih konstrukcija, veliki broj gra!evinskih inženjera mogao je odgovoriti složenim zadacima koji su se postavili u oslobo!enoj zemlji posle Drugog svetskog rata. Veliki "eli"ni mostovi na Savi, Moravi i drugim našim rekama podignuti su iz re"nog korita, popravljeni i osposobljeni za saobra#aj, za relativno kratko vreme, sa oskudnim sredstvima sa kojima se tada raspolagalo. Postoje#e radionice su znatno proširene i modernizovane, otvorena mnoga nova preduze#a i broj stru"njaka u njima bitno pove#an. Zavisnost od inostranstva u pogledu projektovanja, izrade i montaže "eli"nih konstrukcija je potpuno otpala. Jednom re" ju, ova grana tehnike je po-


29

slednjih trideset godina toliko napredovala, da razvoj savremenih metalnih konstrukcija ide uporedo sa razvojem u drugim industrijski razvijenim zemljama, pa je u ovom periodu izgra!en veliki broj raznovrsnih "eli"nih konstrukcija koje spadaju u sam vrh svetskog gra!evinskog konstrukterstva. Pojedini objekti su bili i dugogodišnji svetski rekorderi u svojoj klasi. Po završetku Drugog svetskog rata najve#i deo aktivnosti usredsre!en je na obnovu porušenih i ošte#enih mostova, da bi se što pre uspostavio normalan saobra #aj. Ovo vreme karakteriše oskudica "eli"nog materijala, pa se do maksimuma koristio materijal od porušenih objekata, što se moglo ostvariti samo zahvaljuju#i tome što su ovi mostovi bili izgra!eni od "elika. $eli"ni materijal mostova, koji, zbog svoje prirode i osobenosti, nisu mogli da budu obnovljeni u istom sistemu, iskoriš#en je za izradu novih mostova, pa je tako materijal od srušenog vise#eg mosta preko reke Save u Beogradu iskoriš#en za izradu dva nova mosta - preko reke Ibar u Kraljevu i preko reke Ribnice pored Kraljeva. To su, u isto vreme, bili i prvi mostovi sistema spregnute konstrukcije u našoj zemlji. Iz ovog perioda treba izdvojiti nekoliko velikih mostova kao što su: prva obnova mosta preko Dunava na potezu Beograd-Pan"evo, obnova mosta preko Dunava kod Bogojeva i novi most preko Save kod Ostružnice. Obnovom ratom porušenih postrojenja crne metalurgije dolazi se do "eli"nog materijala garantovanog kvaliteta, pristižu visokostru"ni kadrovi sa fakulteta koji se usavršavaju uz koriš#enje ste"enog iskustva i znanja, kako iz zemlje, tako i iz inostranstva, kupuje se savremena oprema i mehanizacija, razvija metaloprera!iva"ka industrija u zemlji, pa se sve to vidno odražava na izgradnju velikog broja savremenih nose#ih "eli"nih konstrukcija u gra!evinarstvu. Zakovane konstrukcije sve više ustupaju mesto zavarenim, iz "ega proisti"u novi konstruktivni sistemi. Istovremeno se primenjuju i visokovredni prednapregnuti zavrtnjevi, sa kojima su prevazi!ene po"etne teško#e.

Slika 1.37 - Most preko Save u Brankovoj ulici

Na raspisanoj me!unarodnoj licitaciji %952. godine za izgradnju novog mosta preko Save, na mestu prethodno srušenog vise#eg mosta, sa istim rasponima, 75,0+26 %,0+75,0 m, usvojen je projekt firme MAN. Sistem kontinualne grede sa zadatim rasponima i kolovoznom ortotropnom plo"om bio je jedinstven u to vreme u svetu, pa je mnogo godina bio most sa najve#im rasponom u svetu u svojoj kategoriji (slika %.37-levo). Firma MAN, pored tehni"ke dokumentacije za glavnu konstrukciju, izradila je u fabrikama i ortotropnu plo"u, dok je našim stru"njacima poverena izrada delova glavne konstrukcije mosta i celo-

30


kupna montaža, koja je izvršena sistemom slobodne montaže. Uspešno obavljen posao %956. godine zna"io je sticanje velikog iskustva i potvrde osposobljenosti naše operative za izgradnju ovako zna"ajnih objekata. Porastom obima saobra#aja ukazala se potreba za proširenjem kapaciteta mosta, što je u"injeno od %974. do %976. godine, postavljanjem nove konstrukcije na stubove starog mosta, neposredno uz izgra!enu mostovsku konstrukciju, "ime je dobijen ve#i saobra#ajni profil (slika %.37-desno). Tehni"ka dokumentacija mosta, tehnologija gra!enja i samo izvo!enje, delo je naših stru"njaka, koji su tom prilikom dali svoj doprinos unapre!enju tehnologije gra!enja u oblasti mostogradnje. Glavni projektant nove polovine mosta bio je inženjer Danilo Dragojevi#. Konstrukcija mosta montirana je 3,5 m nizvodno, pored stare konstrukcije, i nakon završene montaže, prevu"ena u svoj definitivni položaj. Specifi"nost ovog poduhvata je u "injenici da su krajnje reakcije u svim fazama optere#enja negativne. Na me!unarodnoj licitaciji za izgradnju novog Pan"eva"kog mosta na istoj lokaciji, sa ve#im kapacitetom, usvojena je varijanta naših stru"njaka (glavni projektanti inženjer Leopold Colja i profesor Ljubomir Jeftovi#), koja je koncipirana kao kontinualni rešetkasti nosa" na pet polja, raspona 5x%6%,0 m, sa paralelnim pojasnim štapovima i dijagonalnom is punom (slika %.38). Konstrukcija mosta primala je novi sadržaj od dva železni"ka koloseka postavljenih unutar rešetkastih glavnih nosa"a, a na obostrano postavljenim konzolama postavljena su dva kolovoza za drumski saobra#aj, širine po 7,0 m, i peša "ke staze od %,5 m. Most je ra"unat kao prostorni sistem, uzimanjem u obzir saradnje kolovoznih nosa"a sa šta povima donjeg pojasa, i saradnje horizontalnih spregova sa glavnim nosa"ima pri nesimetri"nom položaju optere#enja. Izgradnja mosta tehnološki je zamišljena tako da se izvo!enjem bitno ne ometa saobra#aj, tako što se nova konstrukcija mosta privremeno postavlja 7,35 m nizvodno, na proširene glave stubova. Završetkom montaže glavne konstrukcije mosta bez konzola, %96%. godine, stvorili su se uslovi da se saobra#aj prebaci sa starog, privremenog mosta, na novi i to za jedan železni"ki kolosek i drumsku traku širine 2,8 m. Tokom %96%. godine i polovinom %962. godine demontirana je stara konstrukcija i uklonjeni pomo#ni me!uoslonci. Prevla"enjem cele konstrukcije mosta, dužine 800,0 m, i težine 8.000 t, u projektovanu osu mosta, koje je trajalo samo dva dana, pristupilo se završetku mosta, postavljanjem drumskih saobra#ajnica na konzole. Završetak svih radova i puštanje mosta u sao bra#aj bilo je tokom %964. godine.

Slika 1.38 - Pan! eva! ki most za drumsko-železni ! ki saobra"aj

3%


Izgradnjom autoputa kroz Beograd, prelaz preko reke Save ostvaren je impozantnim rešenjem mostovske konstrukcije, koja u jednom skoku "preska"e" Savu, asociraju#i svojim vitkim kosim "nogama" na gazelu u skoku, pa je tako dobila popularno ime Gazela (slika %.39). Autor konstrukcije je akademik dr Milan 'uri#. Profil auto puta, širine 2x%0,5 m, sa 2 peša"ke staze širine 3,0 m, prelazi preko mosta sistema kosog podupirala, raspona 4%,65+249,92+40,30 m i dve proste grede raspona 66,80 m. Ovaj most spada u originalna rešenja, kako po svojoj koncepciji, tako i po svojim estetskim dometima.

Slika 1.39 - Most Gazela u Beogradu

Kao što je ve# re"eno, primena spregnutih sistema u mostogradnji, vezana je za izgradnju mosta preko Ibra u Kraljevu . Posle toga izgra!en je veliki broj mostova ovoga sistema, kako malih, tako i velikih raspona. Glavni nosa "i sistema kontinualnog nosa"a zahtevali su prednaprezanje u zoni negativnih momenata, tako da je najve#i broj mostova izgra!en u spregnuto-prednapregnutom sistemu. Iz ove grupe treba spomenuti most preko Save kod Orašja (projektant akademik dr Nikola Hajdin) zbog njegovog velikog srednjeg raspona od %34,0 m. Osim toga, na ovom mostu izvršeno je sprezanje betona i "elika postavljanjem betonske plo"e i u ravan donjeg pojasa u zoni srednjih oslonaca. Ja"anjem ekonomske mo#i zemlje i naglim razvojem saobra#aja gradi se veliki broj, kako drumskih, tako i železni"kih mostova, širom zemlje. Na pruzi Beograd-Bar izgra!eno je mnogo mostova razli"itih sistema, a ve#ina od njih je imala neku osobenost. Na ovoj pruzi najzna"ajnije mesto pripada mostu preko kanjona Mala rijeka (projektant profesor Ljubomir Jevtovi#), koji se nalazi na oko 200 m iznad re "nog korita (slika %.40). Kanjon je premoš#en rešetkastom konstrukcijom sistema kontinualnog nosa"a sa pet otvora, "iji je srednji otvor %50,0 m, a ukupna dužina 498,0 m. S obzirom na veliku visinu i konfiguraciju terena, kao i izuzetno jake vetrove, trebalo je optimalno rešiti probleme u vezi sa uticajem vetra, kako na konstrukciju mosta, tako i na vozila - vagone na samom mostu. Na trasi ove pruge nalazi se

32


još jedan izuzetno interesantan most zvani Kosorski Žljeb (projektant tako!e profesor Jevtovi#). Cela dolina premoš#ena je "eli"nim lukom raspona 70,0 m, koji nosi gredu dužine 87,5 m. Ovo je jedini železni"ki lu"ni most u Jugoslaviji.

Slika 1.40 - Most Mala rijeka na pruzi Beograd-Bar

Istovremeno, u to doba gradi se i pruga Sarajevo - Plo"e, na kojoj, kao najinteresantnije rešenje, treba navesti most preko reke Neretve kod Jablanice (slika %.4%), "iji je glavni otvor okvirne konstrukcije sa kosim i razmaknutim podupiralima i rasponom od %00,0 m, ukupne dužine 300,0 m (projektant inženjer Branko Zari#). Takore#i istovremeno, gradi se nekoliko velikih drumski mostova, kao što su mostovi preko Dunava kod Bezdana, Smedereva, Ba"ke Palanke i Bogojeva, mostovi preko Save kod Šapca i Sremske Mitrovice, kao i most preko Drine kod Loznice. Pri nabrajanju zna"ajnih ostvarenja u mostogradnji treba da se pomene i izgradnja mosta preko Tise izme!u Kanjiže i Kneževca (projektant profesor Jevtovi#). Most je vise#i, sa glavnim rasponom od %54,6 m, namenjen za drumski saobra#aj, sa kolovozom širine 7,0 m. Drumski most Mratinje kod HE Piva, sistema kontinualnog nosa"a, raspona %00,0+%80,0+%00,0 m, sa ortotropnom kolovoznom plo "om, izveden je od strane GOŠE u zavarenoj izradi sa montažnim nastavcima ostvarenim zavarivanjem i visokovrednim zavrtnjevima (projektanti inženjeri Miroljub Popadi# i Borislav Midi#). Ovaj most (slika %.42) je zbog dobro koncipirane konstrukcije, izuzetno smele montaže u teškim terenskim uslovima (montaža sa tri polazne ta"ke na visini do %%2,0 m iznad tla), kao i zbog uspešnog estetskog uklapanja u okolinu, dobio %977. godine nagradu Evropske konvencije za "eli"ne konstrukcije ( European Convention for Constructional Steelwork ) kao jedna od najboljih, izvedenih "eli"nih konstrukcija u Evropi.


Slika 1.41 - Most preko Neretve na pruzi Sarajevo-Plo ! e

Slika 1.42 - Drumski most Mratinje kod HE Pive u fazi montaže

33

34


Veoma zna"ajan poduhvat je izgradnja železni"kog mosta sa kosim kablovima u Beogradu preko Save (slika %.43) za potrebe Beogradskog železni"kog "vora (projektanti akademik Nikola Hajdin i profesor Ljubomir Jevtovi#). Stati"ki sistem mosta je kontinualan nosa" sa šest polja, raspona 53,74+85,0+50,%5+253,7+50,%5+65,2=557,94 m, pri "emu je srednji otvor raspona 253,7 m prihva#en sa "etiri kose zatege oblikovane od snopa paralelnih žica uvu"enih u polietilensku cev sa glavama za ankerovanje koje su zalivene hladnim postupkom. Železni"ki kolosek postavljen je u tucani"kom zastoru postavljenom preko "eli"ne ortotropne plo"e ugra!ene izme!u sandu"astih glavnih nosa"a. Izgradnja mosta trajala je od %974. do %979. godine.

Slika 1.43 - Železni! ki most preko Save u Beogradu

Drumski most u Novom Sadu preko Dunava (slika %.44) je sli"nog sistema kao prethodni sa ukupnom dužinom od %3%2,0 m, od "ega na glavnu mostovsku konstrukciju otpada 59%,0 m (projektanti akademik dr Nikola Hajdin i profesor Gojko Nenadi#). Rasponi su 2x60,0+35%,0+2x60,0 m, što je u to vreme bio svetski rekord za mostove ove vrste, sa pilonima i zategama u srednjoj ravni mosta. Poslednjih desetak godina zbog velike recesije u našoj zemlji izvedeno je samo nekoliko zna"ajnih ostvarenja u mostogradnji. Drumski most Gazivode (projektant inženjer Slobodan Cvetkovi#) preko akumulacije završen je %989. godine (slika %.45). Most je stati"kog sistema rešetkastog luka raspona 2%9,% m. Širina mosta je 9,5 m. Ukupna težina "eli"ne konstrukcije je 832 t.

35


Slika 1.44 - Drumski most u Novom Sadu preko Dunava

Slika 1.45 - Drumski most Gazivode

Trasa autoputa - obilaznica oko Beograda - prelazi reku Savu kod Ostružnice (projektanti inženjeri Slobodan Cvetkovi# i Danilo Dragojevi#) nizvodno od postoje#eg železni"kog mosta. Kako se objekat nalazi u zoni plovnog puta reke to je zahtevan plovni gabarit širine %80,0 m i visine 9,5 m od maksimalne plovne vode. Most se sastoji od "eli"ne konstrukcije preko reke i prethodnonapregnutih prilaznih konstrukcija ukupne dužine %789,6 m. Investi-

36


cionim programom koji je prihva#en od Evropske investicione banke uslovljeno je da se autoput gradi u dve faze, gde bi u prvoj fazi bila izgra !ena polovina saobra#ajnog profila, koji omogu#ava odvijanje dvosmernog saobra#aja. Konstrukcija iznad reke je kontinualni nosa" promenjive visine sa rasponima 99,0+%98,0+99,0+99,0+88,0 m, što ukupno iznosi 583,0 m (slika %.46).

Slika 1.46 - Izgled namontirane konstrukcije mosta preko reke Save kod Ostružnice

Peša"ki most Sveti Irinej premoš#uje reku Savu, povezuju#i Ma"vansku i Sremsku Mitrovicu (slika %.47). Objekat se sastoji od prilazne konstrukcije, sistema proste grede i glavne konstrukcije, sistema mosta sa kosim kablovima, raspona 35,0+%92,5+35,0 m (pro jektanti inženjeri Gradimir Sre#kovi# i Dragoljub Isailovi#). Širina mosta je 5,5 m, a u zoni pilona se pove#ava na 6,5 m. Armiranobetonski piloni su smešteni u srednju ravan mosta. Greda za ukru#enje oslanja se na obalne i pilonske stubove i sastoji se od "eli"nog tra pezastog sandu"astog nosa"a spregnutog sa armiranobetonskom kolovoznom plo"om.

Slika 1.47 - Peša! ki most Sveti Irinej


37

Most preko Dunava-Ade-Dunavca Dunava-Ade-Dunavca kod Smedereva za prevo!enje cevovoda (projektant profesor Zvonimir Pavlovi Pavlovi#) je još jedan u nizu brilijantnih ostvarenja naših konstruktera i predstavlja najduži most ove namene u Evropi. Konstrukcija za prelaz cevovoda sastoji se od tri mosta. Mostovi Mostovi A i B su vise#i, istovetne koncepcije, a most C je rešetkasta kontinualna konstrukcija. Najzna"ajniji most je onaj koji premoš#uje Dunav, srednjeg raspona 479,7 m i ukupne dužina 865,74 m (slika %.48). Posebna konstrukterska vrednost ovog mosta je koriš#enje rešetkastih horizontala na mestu pilona za koje su vezana bo"na užad za stabilizaciju.

Slika 1.48 - Vise "i most preko Dunava za prevo# enje enje cevovoda

Niz velikih, funkcionalno i konstrukterski uspešno izvedenih objekata u velikim industrijskim i energetskim postrojenjima svedo"i o visokom nivou projektovanja i izgradnje ove vrste "eli"nih konstrukcija. Me!u mnogima ovde #e biti pomenute hale i objekti RHR Trep"a, RTB Bor, SARTID-%9%3 Smederevo, Aluminijumski kombinat Podgorica, Železare Nikši# i Skoplje, Zorka-Šabac, HIP Pan "evo, REIK Kolubara i veliki broj industrijskih hala u inostranstvu, i nostranstvu, pogotovo u Libiji, Iraku i Rusiji. Jedna od najve#ih industrijskih hala u Jugoslaviji je objekat hladne valjaonice SARTID-a iz Smedereva korisne površine %04.24% m2 (slika %.49). Objekat je realizovan u dve faze. Hala je širine 3x24,0+5x30,0=222,0 3x24,0+5x30,0=222,0 m, a dužine 29x%8,0=522,0 m, a opslužuju je 37 mostnih dizalica od 20 do 80 t. Nose #a konstrukcija se sastoji od punih limenih stubova uklještenih u temelje, rešetkastih krovnih nosa"a, kranskih staza sistema kontinualnih nosa"a, oslona"kih konstrukcija, "R" rožnja"a i spregova. Glavni projektant nose#e konstrukcije prve faze je inženjer Kamenko Jovi"i#, a druge inženjer Milan Reli#.

38


Slika 1.49 - Hala hladne valjaonice u Smederevu

Visokoregalno skladište Zorka-Šabac (projektant inženjer Milun Miškovi#), koncipirano je kao samonose#e, tj. konstrukcija visokoregalnog skladišta je takva da "eli"ni regali primaju korisno optere#enje od paleta, tehnološke opreme, krovne i fasadne konstrukcije, snega i vetra. Objekat se sastoji od visokoregalnog skladišta i aneksa. Objekat visokoregalnog skladišta je dužine 48,0 m, širine 26,4 m i visine 23,0 m. Izgled objekta u fazi izgradnje prikazan je na slici %.50.

Slika 1.50 - Visokoregalno skladište Zorka-Šabac u fazi montaže


39

Veliki broj industrijskih hala i skladišta je realizovan u inostranstvu me!u kojima se isti"u: hale u luci Misurata (Libija), fabrika ra"unarske opreme u Jerevanu (Jermenija), hale drvnog i metalskog kompleksa Zapadnosibirskog metalurškog kombinata u Novokuznjecku (Rusija), itd. U okviru luke Misurata izvedeno je devet hala (projektant inženjer mr Dragoslav Toši#) ukupne površine 80.000 m2 (slika %.5%). Pet hala su dimenzija 50,0x%50,0 m, dve 50,0x%50,0 m i po jedna dimenzija 4%,0x50,0 m i 4 %,0x78,0 m. Svi objekti su okvirnog sistema sa vutama. Radove na projektovanju, izradi i montaži "eli"ne konstrukcije, kao i na oblaganju izvršila je GOŠA iz Smederevske Palanke.

Slika 1.51 - Hala Transit Shed u luci Misurata (Libija)

Primena "elika u zgradarstvu u našoj zemlji javlja se u ve#oj meri tek u poslednjoj deceniji, bilo sa "isto "eli"nom, bilo sa spregnutom "elik-beton nose#om konstrukcijom. Ušteda u korisnom prostoru, prefabrikacija, brza montaža suvim postupkom, smanjenje sopstvene težine i ukupnog koštanja su faktori koji #e doprineti daljoj promociji ovakvih zgrada kod nas. Prva zgrada sa nose #om "eli"nom konstrukcijom u Srbiji je %%-to spratna poslovna zgrada Projmetala u Beogradu, površine osnove 4%5 m2 za koju je utrošeno 3 %7,4 kg/m "elika. Kao primer savremenih spratnih zgrada od "elika mogu se izdvojiti: tri poslovne zgrade u Sremskoj Sremskoj ulici u Beogradu (slika %.52), poslovna zgrada Minel ENIM-a u Beogradu i poslovna zgrada Jugodrva u Beogradu (projektant 'or !e &upurdija). Zgrada Jugodrva je izvedena kao ovešeni sistem tako što rešetkasti krovni veza"i optere#enje sa vešaljki prenose na okvire (slika %.53). Objekat javne garaže u Užicu (slika %.54) sastoji se od dve konstruktivno nezavisne celine garaže i aneksa me!usobno odvojenih dilatacijom (projektant inženjer Dušan Nikoli#, izvo!a" Jedinstvo-Metalogradnja, Užice). Osnovni sistem nose#e konstrukcije garaže proizašao je iz funkcionalnog rešenja saobra#aja, geomehani"kih uslova fundiranja i arhitektonskog rešenja. Nose#a konstrukcija garaže je izvedena od spregnutih me!uspratnih konstrukcija i stubova. Spregnuta me!uspratna konstrukcija raspona %5,0 m (%3,0 m) izvedena je od polumontažnih "Omnia" plo"a i "eli"nih limenih nosa"a. Sprezanje je ostvareno preko krutih moždanika i armaturnih petlji.

40


Slika 1.52 - Poslovna zgrada u Sremskoj ulici u Beogradu

Slika 1.53 - Poslovna zgrada Jugodrva u Beogradu

4%


Slika 1.54 - Javna garaža u Užicu

Na prostoru ispred zgrade NIS Jugopetrola izvedena je benziska stanica (slika %.55) sa prodajnim, kancelarijskim i magacinskim prostorom (projektant inženjer Vladislav Mati#, izvo!a" Zavariva" - Vranje). Preko prodajnog dela prelaze glavni kosi nosa"i koji se dalje talasasto nastavljaju kao nosa"i nadstrešnice formirani od dva U-profila okrenuti jedan prema drugom le!ima na rastojanju od %50 mm i povezani sa dva paralelna lima. Na donji pojas ovih nosa"a oslanjaju se rešetkaste tropojasne rožnja"e na koje su preko distancera postavljeni nosa"i krovnog pokriva"a - LEXAN-a. Na najnižim ta "kama talasastog nosa"a postavljeni su kružni stubovi.

Slika 1.55 - Benzinska pumpa Dejton u Beogradu

Sportski objekti, kao što su hale i krovovi stadiona, predstavljaju pravi izazov za svakog konstruktera, pa u ovoj oblasti postoji veliki broj izuzetnih ostvarenja kao što su sportske dvorane u Beogradu (Pionir i Ledena dvorana), Novom Sadu (Vojvodina), Leskovcu, bazeni u Beogradu i Be"eju, krovna konstrukcija stadiona Crvene zvezde u Beogradu i mnogi drugi.

42


Objekat sportske dvorane u Tuzli (slika %.56) korisne površine oko %6.000 m2 ima veliku univerzalnu dvoranu za 6.000 gledalaca, malu dvoranu za 800 gledalaca, izložbeni prostor i dve sale za trening (projektant inženjer Slobodan Cvetkovi#). Krovna konstrukcija je jedinstvena, izvedena kao prostorna u sistemu MERO raspona 53,0 m x 9%,0 m. Prostorna rešetkasta konstrukcija je plo"asta, sistemne visine 22%5 mm u rasteru 3%33 x 3%33 mm.

Slika 1.56 - Sportska dvorana u Tuzli

Na zapadnoj tribini stadiona Crvene zvezde u Beogradu izvedena je vise#a "eli"na krovna konstrukcija (slika %.57) sa nizom ravanskih konstrukcija formiranih od ovešenog sandu"astog nosa"a, pilona, zatege i ankera.

Slika 1.57 - Krovna konstrukcija za stadion Crvene zvezde u Beogradu


43

Od sportskih objekata izvedenih u inostranstvu posebno se izdvajaju sportski kompleks u Permu (Rusija) i krovna konstrukcija stadiona Shah Alam u Selangoru (Malezija). Krovna konstrukcija površine 34.386 m2 sastavljena je iz dve identi"ne površine oblika prese"enog kružnog cilindra radijusa 284,% m. Prostorna krovna konstrukcija konstantne visine 3,0 m i rastera 3,8 x 3,6 m dimenzija prepusta od 69,0 m u sredini i dužine od 283,79 m na mestu slobodne ivice je najve#a konstrukcija tog tipa na svetu (slika %.58). Prostorna konstrukcija je izvedena od cevi sa "vorovima od monolitnih "eli"nih kugli sistema UNISTRUT. Oslanjanje krovne konstrukcije je izvršeno na 32 mesta po obodu. Glavni izvo!a" radova je bio Energoprojekt- Beograd.

Slika 1.58 - Stadion Shah Alam u Maleziji

Zahvaljuju#i kvalitetnom stru"nom kadru na svim nivoima, projektovani su i izvedeni i najkomplikovaniji objekti u "eliku i to ne samo u mostogradnji i zgradarstvu ve# i u ostalim oblastima gra!evinskog konstrukterstva, kao što su antenski stubovi visine i do 200 m, rezervoari pre"nika i do 60 m, silosi, bunkeri, ži"are u našoj zemlji i inostranstvu. Od atraktivnih antenskih stubova treba pomenuti slobodno stoje#e cevne stubove Zekova glava-Bjelasica visine 40,42 m (slika %.59a) i Štirovnik-Lov#en visine 48,22 m (slika %.59b), kao i stubove sa ankernim užadima (jarbole) kod Subotice visine %99,8m i u Belom Manastiru visine %99,99 m i težine %20 t (slika %.59c). Popre"ni presek stuba je jednakostrani"ni trougao dužine strane 3500 mm do kote %73,6 m i %200 mm od kote %77,5 m do vrha stu ba. Konstrukcija stuba je prihva#ena sa "etiri nivoa zateznih užadi. Svako uže je predna pregnuto. Glavni projektant ovog antenskog stuba (kao i prethodna dva) je profesor Gojko Nenadi#, a izvo!a" je Mostogradnja - Beograd. $elik i aluminijumske legure su posebno pogodni za prostorne nose#e sisteme. Na ovom polju su u poslednje vreme pokazani lepi rezultati i u osvajanju novih sistema i u realizovanim objektima. Izuzetan primer prostorne rešetkaste krovne konstrukcije "ini Poslovno-sportski centar u Tuzli. Krovna konstrukcija je izvedena u sistemu MERO. Razvi jen je i sli"an sistem pod nazivom "BRUS +" firme %4. oktobar iz Kruševca. Prema princi pima konstrukcije UNISTRUT- SAD na tržištu Jugoslavije razvijen je sistem SITING-

44


$a"ak.

Koriš#enjem ovog sistema izgra!eno je nekoliko zapaženih objekata-benzinskih pumpi NIS Jugopetrol-a u Beogradu, Gornjem Milanovcu, $a"ku, Valjevu itd. Originalni ameri"ki sistem omogu#ava izradu samo plo"astih formi konstrukcija. Me!utim, kako se "esto javljaju zahtevi arhitekata za lu"nim oblicima to je sistem usavršen tako što je dodatnim savijanjem "vornog lima i skra#enjem štapova donjeg pojasa u pravcu krivine luka omogu#eno izvo!enje i zakrivljenih - lu"nih oblika (slika %.60).

a)

b)

Slika 1.59 - Antenski stubovi: a) Bjelasica; b) Lov "en; c) Beli Manastir

Slika 1.60 - Lu! ni oblik prostorne konstrukcije SITING

c)

45


Izuzetno atraktivna konstrukcija vodotornja visine 56,7 m na Sajmu u Lagosu izgra !ena od strane naših gra!evinara (projektant profesor Gojko Nenadi#) prikazana je na slici %.6%.

Slika 1.61 - Vodotoranj u Lagosu

Trenutno je u svetu izuzetno aktuelna primena ner !aju#ih "elika, kao trend u arhitekturi, u takvoj formi da je konstrukcija potpuno vidljiva, kako u fasadama tako i u enterijeru, ali sa posebno oblikovanim detaljima prilago!enim arhitektonskim zahtevima. Ner !aju#i "elici su otporni prema uticaju atmosfere, vode, pare i prema brojnim kiselinama i solima. Kod ovog "elika se na vazduhu formira površinski oksidni sloj koji spre"ava koroziju. Ovaj oksidni sloj je tanak i poja"ava prirodnu boju ne remete#i metalni sjaj. Ner !aju#i "elik je postao uzdanica u arhitektonskom oblikovanju savremenih zgrada, delom usled na pretka u metalurgiji i konstrukcijskom shvatanju materijala, ali više kao izraz fascinacije arhitekata i inženjera konstrukcijskim mogu#nostima ovog materijala. Prakti"na zainteresovanost da se materijal konstruktivno najbolje iskoristi i racionalizu je i "ak istaknu veze, daje poseban estetski efekat. Konstruktivne forme koje iz toga proizilaze "esto imaju kvazi-anatomski kvalitet uz jasan konstruktivni sistem. Površine elemenata od ner !aju#ih "elika mogu biti glatke i sjajne, matirane, rupi"aste, obra!ene "etkama ili sa šarama i bitno uti"u na na"in reflektovanja svetlosti. Trend koji je poslednjih godina zastupljen u svetu preneo se i kod nas, tako da je u Beogradu izgra !ena poslovna zgrada firme Zepter u Ulici kralja Petra (slika %.62) koja na izuzetno atraktivan na"in dodatno afirmiše primenu ner !aju#ih "elika u zgradarstvu. Kod ove zgrade na fascinantan na "in je

46


upotrebljen ner !aju#i "elik za razli"ite delove nose#e konstrukcije. Projektant nose#e konstrukcije od ner !aju#eg "elika je profesor dr Dragan Bu!evac.

a)

b)

Slika 1.62 - Fasada zgrade Zepter: a) prema ulici kralja Petra; b) dvorišna sa pasarelom

U Jugoslaviji je proteklih godina izgra!en veliki broj hidrotehni"kih objekata u kojima je ugra!ena hidromehani"ka oprema doma#ih proizvo!a"a. U najzna"ajnije objekte, sa raznovrsnom hidromehani"kom opremom visokog kvaliteta, spadaju hidroenergetski i plovidbeni sistem 'erdap, hidro sistem Dunav-Tisa-Dunav i hidroelektrane u slivu Drine. Zasluge za ovako velik broj izvedenih izuzetnih objekata svakako pripadaju i nastavnicima iz oblasti metalnih konstrukcija, koji su prenosili svoja znanja i iskustva budu#im gra!evinskih inženjerima i istovremeno nivo nastave usaglašavali sa savremenim svetskim trendovima i dostignu#ima. Po"eci nastave iz oblasti metalnih konstrukcija na Gra!evinskom fakultetu Univerziteta u Beogradu bili su u okviru predmeta Nauka o gra# evini na suvu i na vodi koji je %869. godine uveo profesor Mihailo Petkovi#. Me !utim veoma brzo je uvideo da predmet treba ras"laniti prema srodnim materijalima tako da ve# %870. godine uvodi predmet Nauka o gra# enju obi! nih i gvozdenih putova. Posle Berlinskog ugovora %878. godine, u Srbiji se posebna pažnja posve#uje razvoju gra!enja mostova, jer je Srbija prihvatila obavezu da pristupi izgradnji glavne pruge Beograd-Niš. Tako je %885. godine kao suplent Velike škole u Beogradu Kosta Glavini# odre!en za nastavnika za predmet Nauka o gra# enju mostova. Novembra %898. godine, Milenko Turudi# kao honorarni profesor zaposlen u Ministarstvu gra!evina, preuzima od profesora Koste Glavini#a predmet Gra# enje gvozdenih mo stova. Proširenjem predmeta %902. godine predmet dobija ime Gra# enje gvozdenih mostova i krovova. Godine %9%2. rat prekida nastavu koja se nastavlja %9%3. godine. Od po"etka rata %9%4. pa do %9%9. godine nije bilo nastave na Univerzitetu u Beogradu. Nastava na Tehni"kom fakultetu je obnovljena %. maja %9%9. godine tako što je vreme od %. maja %9%9. do 3%. jula %920. godine podeljeno u "etiri skra#ena semestra. U tom periodu nastavu iz predmeta Gvozdeni mostovi držao je dr Ivan Arnovljevi#, jer je profesor Turudi# umro %9%5. godine. U periodu %920-%924. godine nastavu iz predmeta Gvozdeni krovovi


47

drži profesor 'or !e Mijovi# nastavnik za Armirani beton, a Gvozdene mostove profesor Vojislav Za!ina nastavnik za predmet Statika inženjerskih konstrukcija. Godine %924., za vanrednog profesora za predmete Gvozdeni mostovi i Gvozdeni krovovi izabran je Petar Mici#, koji iste godine osniva Katedru za gvozdene konstrukcije. Preuzimanjem nastave iz ovih predmeta profesor Mici# preuzeo je obavezu da što više doprinese obnovi i izgradnji "eli"nih mostova i drugih konstrukcija i da stvori kadrove koji #e zemlju u ovoj oblasti gra!evinske tehnike u"initi što nezavisnijom od stru"njaka i fabrika iz inostranstva. Može se re#i da je profesor Mici# za"etnik savremenog na"ina projektovanja i gra!enja metalnih konstrukcija u Srbiji i Jugoslaviji.

2 POSTUPCI PROIZVODNJE !ELIKA 2.1 ISTORIJSKI PREGLED Koreni metalurgije su sa Bliskog istoka, odakle su se znanja dobijanja metala raširila na Afriku, Aziju i Evropu, pri "emu je prednost imalo dobijanje zlata i srebra, potom bakra, cinka i olova i na kraju gvož!a. Ruda se prvobitno dobijala sa površinskih kopova, a kasnije iz rudnika. Gvozdena ruda se u dalekoj prošlosti topila u šahtnim pe#ima visine "oveka pomo#u drvenog uglja. Iz tog %0 do 20 cm debelog komada koji je bio pomešan sa šljakom, naknadnim zagrevanjem i kovanjem isterivana je šljaka i tako dobijano gvož!e koje je bilo mogu#e oblikovati. Napredak u rudarstvu i tehnici livenja gvož!a je stole#ima bio neznatan, tako da se do srednjeg veka dobijalo redukcijom pomo#u drvenog uglja u rovovima i niskim šahtnim pe#ima izgra!enim od blata i lomljenog kamena, a kasnije, od %200. godine nove ere, u ve #im pe#ima sa vešta"kim cugom (slika%.63a).

Slika 1.63 - Postupci dobijanja gvož # a: a) Rimska šahtna pe"; b) Visoka pe" na drveni ugalj sa hladnim vazduhom; c) Visoka pe " na koks sa toplim vazduhom; d) Visoka pe" na koks sa podkonstrukcijom

48


U XV veku je iz šahtnih pe #i razvijena visoka pe# (slika %.63b), koja je zbog dovoda vazduha pomo#u vodom pokretanih mehova, mogla biti zagrejana na višu temperaturu, tako da je dobijano te"no sirovo gvož!e. Ovako dobijeno gvož!e nije sadržalo šljaku, ali je imalo veliki procenat ugljenika, pa je, da bi se moglo kovati, moralo biti oslobo!eno od njega. Odlu"uju#i napredak nastupio je uvo!enjem kamenog uglja i pronalaskom parne mašine. Prva visoka pe# na koks puštena je u rad %735. godine od strane Darbija ( A. Darby) u Engleskoj, a znatno kasnije, %796. godine, i u Nema"koj u Glajvicu. Visoke pe#i su posta jale sve efikasnije upotrebom mašina na parni pogon za uduvavanje prethodno zagrejanog vazduha (%828.) i koriš#enjem otpadnih gasova za zagrevanje pe#i (slika %.63c). Kvalitet dobijenog gvož!a je poboljšavan, u prvo vreme topljenjem gvož!a u loncima (%740.), a potom pronalaskom dobijanja takozvanog varenog gvož!a u pudel-pe#ima od strane Korta ( H. Cort ), %784. godine (slika %.64). U pudel-pe#ima je sirovo gvož!e iz visokih pe#i, dovo!enjem zagrejanog vazduha i stalnim mešanjem duga"kim kukastim šipkama, osloba!ano od silicijuma, mangana i ugljenika, pri "emu je samo plamen imao kontakt sa gvož!em. Proizvodnja "elika je vezana za Besemera ( H. Bessemer ), koji je %855. godine pronašao postupak dobijanja takozvanog topljenog "elika u konvertoru kruškastog oblika (slika %.65) sa bazi"nom oblogom (od dolomitne ili magnezitne opeke). Postupak proizvodnje je poboljšao Tomas (G. Thomas), %878. godine. Kod Besemer-Tomasovog postupka oksidacija ugljenika i ostalih ne"isto#a vršena je na takav na"in što se kroz perforirano dno produvavao vazduh kroz te"no gvož!e, a proizvodnja "elika se na taj na"in, u pore!enju sa pudel-postupkom, ubrzala pedeset puta.

Slika 1.64 - Popre! ni presek pudel-pe"i

Slika 1.65 - Besemerov konvertor

Godine %864. uveden je Simens-Martinov (Siemens-Martin )postupak proizvodnje "elika, koji je sa Tomasovim postupkom narednih stotinak godina "inio osnovu masovne proizvodnje "elika. Oni su tek poslednjih decenija zamenjeni postupcima produvavanja "istim kiseonikom i elektro-pe#ima. Kod LD ( Linz-Donawitz) postupka se kroz vodom hla!eni žljeb uduvava tehni"ki "ist kiseonik na sirovo gvož!e u konvertoru. Ne"isto#e sagorevaju potpuno i za kratko vreme, a "elik je znatno boljeg kvaliteta od Tomasovog, pa se može koristiti i za zavarene konstrukcije. Najkvalitetniji "elici po pitanju "isto#e i preciznosti legiranja dobijaju se u elektro-pe#ima. U elektro-pe#ima se pomo#u ugljenih elektroda formira luk, a zbog odsustva oksidiraju#eg plamena gubitak legiraju#ih elemenata sagorevanjem je izuzetno mali.


49

2.2 PROIZVODNJA GVOŽ"A Kao što je prethodno re"eno, preradom rude gvož!a u visokim pe#ima dobija se sirovo gvož!e. Gvož!e se u prirodi nalazi u rudama koje mogu biti u stanju oksida (magnetit FeMg3O4 i hematit Fe2O3), karbonata (siderit FeCO3) i sulfida (pirit FeS2). Pre topljenja rude ona se mora pripremiti usitnjavanjem i oboga#ivanjem. Ruda se usitnjava, melje, seje i pranjem ili magnetnom pripremom, što je mogu#e više, osloba!a od jalovine i na kraju prži (uklanjanje H2O i CO2). Fine "estice koje nastaju nakon mlevenja se ponovo ili paletiraju (tj. suše u obliku kuglica pre"nika %0-%5 mm) ili sinteruju (u komade). Rezultat ove pripreme je komadasta, porozna, gvož!em bogata ruda. Rudi se dodaju elementi koji u procesu topljenja omogu#avaju da se ne"isto#e sadržane u rudi (od jalovine) prevedu u lakše topljivu šljaku. Ako je jalovina kisela (npr. kvarc) dodaju se kre" ili dolomit, a ako je bazna (npr. kre") dodaju se glina, granit ili drugi minerali koji sadrže silikatnu kiselinu. Topioni"arski koks, koji se koristi u visokim pe#ima, proizvodi se u koksarama zagrevanjem vlažnog usitnjenog uglja na 850 do %000 °C, a pri tome se dobijaju i vredni nusprodukti kao što su gasovi, katran i benzol. Iz pripremljene rude se u visokoj pe#i dobija sirovo gvož!e dovo!enjem toplotne energije dobijene sagorevanjem koksa. Tokom vremena, boljom pripremom šarže omogu#eno je smanjenje koli"ine koksa po toni sirovog gvož!a sa %000 kg (oko %990.) na 500 kg. Pri tome se pove #avao i kapacitet visokih pe#i od 900 m3 (oko %930.) do današnjih preko 3600 m3, sa preko 35 m visine. Visoke pe #i su se nekada gradile sa podkonstrukci jom, a danas kao samonose#e. Rad visokih pe#i je kontinualan (ne gase se) 5 do %0 godina. Postupak dobijanja sirovog gvož!a u visokim pe#ima šematski je prikazan na slici %.66.

Slika 1.66 - Šematski prikaz rada visoke pe "i

50


Prethodno pripremljena ruda, koks i dodaci uskladišteni su u bunkerima (%, 2 i 3). Mešavina ove tri komponente u odgovaraju#em odnosu transportuje se i ubacuje u gornji deo visoke pe#i, koji se zove grotlo (4). U gornjim delovima visoke pe #i (5 i 6) mešavina se suši zagrevanjem toplim vazduhom do temperature od 400 °C. Daljim zagrevanjem osušene mešavine (7, 8 i 9) do temperature od %600 °C vrši se redukcija gvozdenog oksida, uz izdvajanje sirovog gvož!a i ugljen dioksida. Dodaci sa ostalim delovima rude i koksa obrazuju trosku (šljaku), koja pliva po rastopljenom gvož!u kao lakša i izdvaja se (%0), dok sirovo gvož!e kao teže pada na dno i izlazi napolje (%%), a topli gasovi se odvode kroz cev. Gasovi se potom pre"iš#avaju, ponovo zagrevaju i uduvavaju u visoku pe# (%3-%8). Te"no sirovo gvož!e se izliva iz pe#i svaka 2 do 4 sata. Tako dobijeno sirovo gvož!e sadrži silicijum, fosfor, sumpor, mangan i ugljenik (do 5%). Ovako visok procenat ugljenika "ini ga krtim, pa služi kao sirovina za dalju preradu, tj. dobijanje "elika. Sirovo gvož!e se ne može obra !ivati (osim livenjem) pa se ne koristi za izradu nose#ih konstrukcija. Gvož!e ima specifi"nu masu od 7870 kg/m3 i ta"ku topljenja na %528 °C.

2.3 PROIZVODNJA !ELIKA Podvrgavanjem sirovog gvož!a procesu oplemenjivanja, u smislu podešavanja hemijskog sastava, dobija se "elik odgovaraju#eg hemijskog sastava i odgovaraju#ih mehani"kih osobina. $elik se proizvodi u dve faze (slika %.67). U prvoj, prethodno opisanoj fazi, gvož!e se osloba!a oksida iz rude redukcijom, ali se pri tome procesom u visokoj pe#i oboga#uje ugljenikom. U drugoj fazi, gvož!e se novim postupkom osloba!a suvišnog ugljenika i drugih ne"isto#a (npr. fosfora), a uz to i legira potrebnim sastojcima. Ovaj drugi proces se odvija u "eli"anama, pri "emu se razlikuju:

Slika 1.67 - Šematski prikaz dobijanja ! elika


5%

Postupci produvavanja: − produvavanje vazduhom (Tomasov postupak) − produvavanje kiseonikom (LD postupak) Postupci u plamenim pe#ima: − Simens-Martinov postupak − elektro-pe#i Tomasov postupak (slika %.68a) se odvija u kruškastom obloženom konvertoru, koji može da se kipuje, maksimalnog kapaciteta oko 90 t, kroz "ije se dno uduvava vazduh ili vazduh oboga#en kiseonikom (zbog smanjenja sadržaja azota) i produvava kroz te"no gvož!e oboga#eno kre"om. Oksidacijom ugljenika i formiranjem šljake (od silicijuma i fosfora) osloba!a se toplota, odnosno "elik nastaje bez dodatnog dovo!enja toplote. Dodavanjem kre"a se iznad bazne šljake vezuje fosfor i jedan deo sumpora. Zbog visokog sadržaja azota ovakav "elik je krt i podložan ubrzanom procesu starenja. Ispuštanje "elika iz konvertora vrši se nakon 30 minuta produvavanja.

Slika 1.68 - Postupci proizvodnje ! elika: a) Tomasov; b) LD; c) Simens-Martinov; d) Elektro

Postupak produvavanja kiseonikom (LD-postupak) se odvija u obloženom konvertoru (maksimalnog kapaciteta od 420 t) na kome se sa gornje strane nalazi bakarna cev kroz koju se dovodi "ist kiseonik pod visokim pritiskom od 5-%0 bara i uduvava u rastopljenu smesu od sirovog gvož!a, starog otpadnog "elika i dodataka (slika %.68b). Dok se kod Tomasovog postupka "elik prilikom produvavanja oboga#uje azotom, kod ovog postupka se njegova koli"ina održava na niskom nivou, što je najzna"ajnija prednost ovog postupka. U ovom postupku se u konvertoru na %600 °C javlja snažna oksidacija, "ime se vreme izlivanja može smanjiti na %0 do 20 minuta, a time se dobijaju bitno ve#e koli"ine kvalitetnog "elika za kra#e vreme.

52


Simens-Martinov postupak (slika %.68c) koristi pe# sa vatrostalnom oblogom u koju se ubacuje sirovo gvož!e (u te"nom ili "vrstom stanju) ili mešavina sa starim "elikom uz dodatak kre"njaka i podvrgava obradi oksidiraju#im plamenom smeše gasa i vazduha, ili ulja i vazduha. Kako je koli"ina uvu"enog azota mala dobija se "elik visokog kvaliteta. Otpadni gasovi zagrevaju odgovaraju#e vazdušne, odnosno gasne komore. Potrošnja goriva i vreme odlivanja su relativno visoki, pa je ovaj postupak poslednjih godina potisnut LD postupkom. Kod elektro-postupka (slika %.68d) pe# se puni prethodno osveženim gvož!em, starim "elikom i dodacima, pa se ovakva šarža pomo#u svetlosnog luka topi na oko 3500 °C. Pe# ima tri grafitne elektrode i vatrostalnu oblogu koja se danas u oblasti iznad topljenja zamenjuje elementima hla!enim vodom, "ime se pove#ava broj topljenja. Kapacitet pe#i je 200 t, a vreme odlivanja je skra#eno sa 3 na %,5 sat. Hladne zone u pe#i se zagrevaju gorionicima na zemni gas i naftu. Ovim postupkom se uglavnom dobijaju kvalitetni i visokolegirani "elici. Tokom postupka dobijanja "elika ugljenik nepotpuno sagoreva u rastopljenoj masi, obrazuju#i sa kiseonikom ugljen monoksid (CO) koji teži da iza !e iz te"ne usijane mase u vidu gasnih mehurova. Posle livenja i hla!enja, usled prisustva gasnih mehurova dobija se "elik šupljikave strukture sklon segregaciji ugljenika, ubrzanom vešta"kom starenju, koncentraciji pojedinih primesa (naro"ito fosfora), takozvani neumiren ! elik . Dodavanjem ovakvom "eliku elemenata afinih prema kiseoniku, kao što su silicijum, mangan, titan i aluminijum, spre"ava se stvaranje gasnih mehurova u rastopljenoj masi. Ovako dobijen "elik pokazuje u "vrstom stanju strukturu bez šupljina sa ravnomerno raspore!enim primesama po celokupnoj masi i naziva se umireni ! elik . Na kraju procesa dobijanja "elika, po bilo kom prethodno opisanom postupku, te"ni "elik se iz konvertora ili pe#i izliva u lonac, a potom u kalupe-kokile razli"itog oblika (slika %.69), ili u postrojenje za kontinualno livenje da bi se obezbedila mogu#nost dalje prerade. Tako dobijeni osnovni oblici "eli"nih polufabrikata su: ingoti, slabovi ( slab), gredice (bloom) i šipke (billet ).

Slika 1.69 - Izlivanje ! elika u kalupe

Slika 1.70 - Oblici osnovnih ! eli! nih proizvoda

U procesu savremenog visokoproduktivnog postupka kontinualnog livenja (slika %.7%) istopljeni "elik se iz lonca sipa u mašinu za kontinualno livenje, pri "emu se formiraju osnovni oblici (npr. slabovi), koji se na kraju procesa gorionicima odsecaju na meru i potom transportuju u skladište. Ovim postupkom se izbegavaju sve greške prisutne kod klasi"nog sistema izlivanja u kalupe.


53

Slika 1.71 - Postupak kontinualnog livenja

2.4 PRERADA !ELIKA DEFORMACIJOM $elik

se deformacijski može obra!ivati: valjanjem, kovanjem, presovanjem i izvla"enjem. Skoro 90% ukupne proizvodnje "elika se obra!uje valjanjem, pri "emu valjanje može biti u vru#em ili hladnom stanju. Postupak vru"eg valjanja je naj"eš#e primenjivan postupak za dobijanje "eli"nih proizvoda koji se koriste u nose#im gra!evinskim konstrukci jama. Pri procesu vru#eg valjanja osnovni "eli"ni proizvodi (blokovi ili polufabrikati) ponovo se zagrevaju na %200-%300 °C u pe#i, kako bi se "elik doveo u testasto stanje da se može valjati. Oblik polaznog komada za valjanje zavisi od preseka gotovog proizvoda. Liveni "eli"ni blok može biti kvadratnog preseka, kada se zove ingot i pravougaonog preseka, kada se zove brama. U ve#ini slu"ajeva zagrejani blokovi se valjaju u polufabrikate, a polufabrikati dalje valjaju u gotove proizvode (lim, profili, cevi, itd.). Proizvodi valjaonice se dele na polufabrikate i gotove proizvode. U polufabrikate "elika ubrajaju se: blumovi, slabovi i gredice. Blumovi su polufabrikati popre"nog preseka od %50x%50 mm do 300x300 mm, kvadratnog i pravougaonog preseka sa odnosom strana manjim od 2. Slabovi imaju pravougaoni presek sa odnosom strana %:3 i više (do %900 mm širine). Gredice su polufabrikat preseka oko 40x40 mm do %50x%50 mm. Na spoljnim površinama izlivenih blokova ili polufabrikata postoje greške, koje treba ukloniti da bi se dobio kvalitetan gotov proizvod bez grešaka. Vru#im valjanjem se zagrejan element propušta kroz seriju valjaka, koji se okre#u u su protnim smerovima, pri "emu je razmak valjaka uvek manji od debljine materijala koji se valja. Element može prolaziti kroz veliki broj valjaka (i preko 70), što zavisi od po"etnog i završnog oblika. Ravni valjci se koriste za dobijanje limova i traka, a profilisani za dobijanje profila svih oblika (slika %. 72). Redukcija debljine vru#eg materijala izaziva pove#anje dužine i bo"no širenje komada. Bo"no širenje mora biti strogo kontrolisano da bi se dobio željeni oblik i dimenzija elementa. Za ovu svrhu se koriste bo "ni vertikalni valjci. Valjci manjeg pre"nika bolje ispravljaju materijal od onih ve#eg pre"nika, a tako!e je i sila valjanja manja. Me!utim kod valjaka manjeg pre"nika javlja se ve#e savijanje u popre"-

54


nom pravcu, pa se kod valjanja širokih limova oni ukru#uju pomo#u oslona"kih valjaka (slika %.73). Vru#e valjanje poboljšava mehani"ke karakteristike "elika, jer usitnjava veli"inu zrna u njegovoj strukturi.

Slika 1.72 - Šematski prikaz valjaka

Slika 1.73 - Oslona! ki valjci

Prva operacija vru#eg valjanja je prevo!enje ingota u osnovne oblike što se vrši primarnim valjanjem. Izme!u "eli"ane i primarne valjaonice nalazi se bazen za potapanje ingota. Potom se u pe#i kapaciteta oko %50 t ingota, oni zagrevaju do temperature valjanja, tj. do %300 °C. Primarne valjaonice su konstruisane tako da je omogu#eno pomeranje ingota u svim pravcima. Valjci su tako konstruisani da se mogu valjati svi osnovni tipovi proizvoda. Obi"no se primarni proizvodi skladište, a zatim ponovo zagrevaju za definitivno valjanje. Završnim valjanjem se dobijaju osnovne grupe "eli"nih proizvoda koji se dele na: štapaste proizvode, profilisane nosa"e, limove i šuplje profile. Grafi"ki prikaz proizvodnje ilustrovan je slikom %.74. Vru#e valjane cevi se izra!uju od tzv. rondela, štapastog poluproizvoda okruglog preseka. Za vru#e valjanje bešavnih cevi razvijen je poseban postupak sa trnom i podužnim vu"enjem. Na slici %.75 je prikazan ovaj postupak sa tri vrste valjaka. Cevi dobijene ovim postupkom se još i dodatno izdužuju valjanjem. Ovde se radi o diskontinualnom procesu valjanja pri "emu kalibriraju#i deo valjka gnje"i samo odre!enu zonu, zatim se omota" valja i gla"a do kona"ne debljine cevi (slika %.76a). Pomo#u upuštenog dela valjka se omota" cevi i trn osloba!aju, tako da se pri istovremenom obrtanju ponovo guraju u poziciju za valjanje, tako da se može zapo "eti slede#i radni korak. Smenjivanje koraka se obavlja brzo dok se ne izduži ceo omota ". Ovim postupkom se izra!uju cevi dužine do 35 m i do pre"nika od 600 mm svetlog otvora. Cevi manjih pre"nika se proizvode u redukcionim pogonima. Osim bešavnih cevi rade se i šavne cevi popre"nim savi janjem limova u cevni presek i podužnim automatski zavarenim šavom, ili spiralno zavarene cevi dobijene iz "eli"nih traka (slika %.76b).


Slika 1.74 - Šematski prikaz procesa dobijanja valjanih proizvoda

Slika 1.75 - Tipovi valjaka za proizvodnju bešavnih cevi

55

56


b)

Slika 1.76 - Postupak proizvodnje bešavnih i šavnih cevi

Prilikom vru#eg valjanja na spoljašnjoj površini proizvoda nastaje kovarina. Kovarina nastaje od oksida gvož!a, tvrda je i krta i uklanja se ili pre obrade u radionici ili ve# u "eli"ani, mehani"kim ili hemijskim putem. Nakon valjanja se vru#e valjani proizvodi seku na meru, kontrolišu, sortiraju, paketiraju i obeležavaju, ukoliko pre toga nije potrebno izvršiti još i hladno oblikovanje ili termi"ku obradu. Najopasnija greška pri vru#em valjanju je dvoplatnost. Pod ovom pojavom podrazumeva se razdvajanje materijala u slojevima kod limova i profila, koje se pruža uglavnom po sredini debljine materijala. Dvoplatnost nastaje kao posledica valjanja lunkera ili mehurova, a može se otkriti samo ultrazvu"nom kontrolom. Lunkeri su šupljine koje nastaju u gornjem delu ingota usled deformisanja u procesu hla!enja. Isto se javlja i kada se materi jal prilikom valjanja suviše ohladio, i tada mogu nastati izduženi razdvojeni delovi, posebno kod ivica širokih pljoštih "elika. U svim ovim slu"ajevima konstrukcija postaje posebno ugrožena ako su njeni delovi u pravcu debljine optere#eni na zatezanje (slika %.77).

Slika 1.77 - Dvoplatnost limova


57

Osim vru#eg valjanja primenuje se i postupak hladnog valjanja pri "emu se valjanje vrši na sobnoj temperaturi bez zagrevanja. Ve#e debljine limova i manje serije proizvode se na presama, a ve#e serije i tanji limovi u hladnim valjaonicama na seriji valjaka. Kovanje predstavlja plasti"nu obradu u vru#em stanju, pri kojoj se "elik oblikuje udarom. Kovanjem se uglavnom obra!uju ve#i komadi koji se teško valjaju. Tehnologija pre sovanja je sli"na kovanju, a razlika je samo u karakteru delovanja sile putem koje se vrši oblikovanje elementa. Kod kovanja je ova sila trenutna udarna, a kod presovanja se nanosi postupno uz koriš#enje odgovaraju#e dvodelne matrice. Postupak izvla! enja uglavnom se koristi za proizvodnju okruglih profila manjeg pre"nika, kao što su žice. Sastoji se u provla"enju šipki dobijenih valjanjem kroz matrice kod kojih su pre"nici otvora manji od pre"nika polazne šipke. Na ovaj na"in se, u ve#oj meri nego prilikom valjanja, materijal sabija, dobija ve#u gustinu, pa se time uti"e i na veli"inu kristalnih zrna. Osim u kokile, rastopljeni "elik se može direktno izlivati u kalupe razli"itog oblika. Na taj na"in se dobija odlivak "iji se oblik i dimenzije ne#e više bitno menjati. Ovim postupkom se dobijaju oblici koje je izuzetno teško ili nemogu#e dobiti na neki drugi na"in.

3 KARAKTERISTIKE !ELIKA 3.1 UVOD $elik kao osnovni materijal za izradu nose#ih konstrukcija u gra!evinarstvu ima specifi"na fizi"ka, hemijska, mehani"ka i tehnološka svojstva. Fizi"ka svojstva "elika su: boja, specifi"na težina, temperatura topljenja, elektroprovodljivost, magnetna svojstva, provodljivost toplote, specifi"na toplota i koeficijent toplotnog širenja. Specifi"na težina metala

izražava se u kg/cm3. Temperaturom topljenja nazivamo onu temperaturu u °C pri kojoj zagrejan "elik prelazi iz "vrstog u te"no stanje. Ova temperatura se menja u zavisnosti od vrste i koli"ine legiraju#ih elemenata u "eliku. Specifi"nom toplotom nazivamo onu koli"inu toplote koja je potrebna da se % kg metala zagreje za % °C. Toplota topljenja je ona koli"ina toplote potrebna da se % kg "elika prevede iz "vrstog u te"no stanje i izražena je u džulima !J". Provodljivost toplote je sposobnost "elika da provodi toplotu i definisana je koeficijentom provodljivosti toplote koji pokazuje koja koli"ina toplote može pro#i u jedinici vremena kroz metal dužine % m i preseka % cm2. Pod toplotnim širenjem se podrazumeva promena dimenzije pri zagrevanju za % °C. Promena dimenzije "elika pri zagrevanju može biti po dužini i zapremini, izražena koeficijentom linearnog izduženja i koeficijentom zapreminskog širenja. Koeficijent toplotnog izduženja α predstavlja prirast dužine predmeta po jedinici dužine i zagrevanju za % °C. U mehani"ka svojstva metala spadaju "vrsto#a, elasti"nost, duktilnost, tvrdo#a, žilavost itd. $vrsto#a predstavlja otpornost metala na razaranje pod dejstvom spoljnih sila. U zavisnosti od karaktera delovanja spoljnih sila razlikujemo: "vrsto#u na zatezanje, "vrsto#u na pritisak, "vrsto#u na savijanje, "vrsto#u na uvijanje, itd. Elasti"nost metala je sposobnost metala da povrati svoj prvobitni oblik i dimenzije nakon prestanka delovanja spoljnih sila koje su izazvale deformacije. Duktilnost je sposobnost metala da pre loma doživi zna"ajne plasti"ne deformacije. Tvrdo#om "elika se naziva otpor koji pruža metal pri utiskivanju tvr !eg materijala u njega. Žilavost metala je otpor koji metal pruža lomu izazvanom udarnom silom. Tehnološka svojstva "elika su: zavarljivost, plasti"nost, kovnost, istegljivost, otpornost na habanje, livnost, obradljivost itd. Zavarljivost je osobina metala da se može spajati teh-

58


nološkim postupkom zavarivanja. Plasti"nost je sposobnost metala da se trajno deformiše pod uticajem spoljnih sila bez razaranja. Kovnost je sposobnost metala da se plasti"no oblikuje bez razaranja pod dinami"kim delovanjem sile i pritiska. Obradljivost metala je sposobnost oblikovanja rezanjem. Istegljivost je sposobnost metala da se može izvla"iti u žice. Livnost je sposobnost metala da u rastopljenom stanju popunjava šupljine, odnosno da može da se lije. Otpornost na habanje je sposobnost metala da se opire habanju, odnosno uništavanju površine ili promeni dimenzija pod dejstvom trenja. $elik kao osnovni materijal za nose#e konstrukcije u gra!evinarstvu mora da poseduje slede#e upotrebne osobine: − mehani"ke osobine na kojima se zasniva dimenzionisanje i nosivost konstrukcije; − tehnološke osobine - zavarljivost, otpornost prema krtom lomu i pojavi prslina, sposobnost oblikovanja - od kojih zavisi na"in izrade i koriš#enje; − korozionu otpornost od koje zavisi trajnost i koštanje koriš#enja objekta; − adaptibilnost promenjenim uslovima koriš#enja.

3.2 FIZI!KO-HEMIJSKE KARAKTERISTIKE !ELIKA 3.2.1 Osnovi metalurgije #elika 3.2.1.1 Kristalna rešetka $elik

predstavlja leguru gvož!a sa ugljenikom i raznim drugim elementima, koji se u njemu nalaze ili u vidu dodataka ili ne"isto#a koje se ne mogu izbe#i. Mikrostruktura ovog materijala je zrnasta, kristalna struktura, sa"injena od prostorno pravilno raspore!enih atoma. Kristalna rešetka konstrukcionih "elika je kubna i može biti prostorno ili površinski centrisana (slika %.78).

a)

b)

Slika 1.78 - Šeme kubne rešetke: a) prostorno centrisana kubna rešetka ( α -rešetka); b) površinski centrisana kubna rešetka ( γ -rešetka)


59

U slu"aju prostorno centrisane rešetke, jedna kristalna #elija se sastoji od 9 atoma ras pore!enih po uglovima kocke i u preseku njenih dijagonala. Dužina ivice kocke iznosi svega 2,9(%0 – %0 m, a ceo kristal sadrži %06 ovakvih jedinica. Kristalna #elija površinski centrisane rešetke sastoji se od %4 atoma u uglovima i sredinama stranica kocke, "ija je dužina 3,6(%0 – %0 m. Ovakva kristalna struktura gvož!a na sobnoj temperaturi je jedan od glavnih faktora koji odre!uju karakteristike "elika. Pri zagrevanju gvož!a dolazi do promene njegove zapremine (slika %.79). Do temperature od 9%0 °C vrši se ekspanzija bez promene kristalne strukture koja ima oblik α -rešetke. Do promene zapremine na temperaturi od 9 %0 °C dolazi zbog promene kristalne rešetke koja prelazi u γ -formu. Naime, gustina, odnosno broj atoma po jedini"noj zapremini, iznosi u prvom slu"aju 8x%/8+%x%=2, a u drugom 8x%/8+6x%/2=4 atoma po #eliji, vode#i ra"una o nastavljanju mreže u sva tri pravca. Pošto je gustina γ -pakovanja ve#a, pri zagrevanju, pri prelasku iz α u γ -formu dolazi do naglog smanjenja zapremine. Iz istog razloga, pri povratku rešetke u prvobitan α -oblik na temperaturi od %390 °C, dolazi do naglog pove#anja zapremine koje nadokna!uje gubitak nastao na 9%0 °C. Na temperaturi od %530 °C, "elik po"inje da se topi, odnosno da prelazi iz "vrstog u te"no agregatno stanje.

Slika 1.79 - Promena zapremine gvož # a pri zagrevanju

Kristalna rešetka bitno uti"e na mehani"ke osobine metala. Karakteristika α -rešetke je visoka granica razvla"enja i relativno ograni"ena mogu#nost plasti"nih deformacija u hladnom stanju. To je posledica odsustva pogodnih ravni klizanja u samoj kristalnoj #eliji, pa je mehanizam klizanja mnogo komplikovaniji. Karakteristika γ -rešetke je relativno visoka granica razvla"enja i ve#a mogu#nost plasti"nih deformacija u hladnom stanju.

3.2.1.2 Formiranje zrnaste strukture Pri hla!enju rastopa metala, na odre!enoj temperaturi dolazi do pojave klica od kojih se formiraju kristalne rešetke (slika %.80a). Jezgra kristalizacije naj"eš#e su ne"isto#e u obliku

60


"vrstih "estica

u rastopu. Kod "elika se od ovih klica vrši re!anje atoma u tri ortogonalna pravca pravca od kojih kojih je jedan jedan obi"no dominantan (slika %.80b). Veliki kristali primarne kristalizacije nazivaju se dentriti. Njihov rast vrši se u pravcu najve#e brzine odvo!enja toplote sve do sudara sa drugim dentritima, formiraju#i tako zrnastu, kristalnu strukturu "elika (slika %.80c).

Slika 1.80 - Šematski prikaz formiranja zrnaste strukture ! elika elika

Raznim toplotnim tretmanima, kao i odre!enim na"inom valjanja, možemo uticati na veli"inu zrna. To je od velike važnosti, jer veli"ina zrna uti"e na karakteristike "elika i to u smislu da sitnozrna struktura daje poboljšane karakteristike.

3.2.1.3 Ugljenik u ! eliku eliku Najzna"ajniji uticaj na mikrostrukturu i karakteristike "elika vrši ugljenik, "iji sadržaj obi"no iznosi manje od %%. Konstrukcioni "elici sadrže manje od 0,25%, a liveno gvož!e "ak 5% ugljenika, što mu daje zna "ajnu razliku u odnosu na "elik. S obzirom da su atomi ugljenika veoma mali mogu se, sa izvesnom distorzijiom, uglaviti u ve#e prostore izme!u atoma gvož!a, odnosno ugljenik može biti rastopljen u gvož!u. Pri tome je raspored atoma kod γ -rešetke -rešetke povoljniji u smislu prostora za smeštaj atoma ugljenika, pa je procenat ugljenika kod γ -gvož -gvož!a ve#i. Ostatak ugljenika se može javiti u dva vida: kao hemijsko jedinjenje sa gvož!em Fe3C (karbid gvož!a) nazvano cementit, ili kao eutekti"na mešavina gvož!a i cementita zvana perlit. Pod mikroskopom se, se, pri ve#em uve#anju, vidi da je struktura perlita sastavljena iz tesno, naizmeni"no složenih lamela dve supstance, gvož!a i cementita (slika %.8%). Dimenzije lamela su obi"no bliske talasnoj dužini svetlosti. Ovakva mešavina se stoga ponaša kao difrakciona rešetka, daju#i efekat koji podse#a na sedef (mother of perl ) odakle je i potekao naziv perlit.

Slika 1.81 - Mikrostruktura perlita


6%

Na prethodno opisanu promenu kristalne strukture pri promeni temperature uti"u i ugljenik i ostali legiraju#i elementi "elika. Njihovo prisustvo omogu#uje primenu širokog niza toplotnih tretmana koji izazivaju porast mnogih karakteristika, koje mogu biti poželjne, ali i nepoželjne. Imaju#i u vidu da je ugljenik element od najve#eg uticaja na osobine "elika, od zna"aja je razmatranje dijagrama ravnotežnih stanja gvož!a i ugljenika.

3.2.2 Dijagram stanja gvož$e-ugljenik Pre razmatranja dijagrama stanja neophodno je upoznati se sa strukturama koje se javljaju u "elicima sa najviše %% C. Ferit ili α -Fe -Fe predstavlja strukturu sa prostorno centrisanom kubnom rešetkom (α -re-rešetka) i najviše 0,08% C. Mehani"ke osobine ferita su: "vrsto#a na zatezanje 25 kN/cm2 i izduženje 50%. Cementit ili ili karbid gvož!a (Fe3C) je jedinjenje gvož!a i ugljenika sa 6,65% C. Mehani"ke karakteristike su mu: "vrsto#a na zatezanje 75 kN/cm2 i izduženje %%. Perlit je je eutekti"na mešavina perlita i cementita, kako je to ve# ranije objašnjeno. Uku pan sadržaj ugljenika ove mešavine iznosi 0,78%. Kod "elika sa malim sadržajem ugljenika, sa njegovim porastom raste broj perlitnih zrna tako da pri 0,78% C uopšte nema feritnih zrna, ve# je cela struktura perlitna. $vrsto#a na zatezanje perlita iznosi 50 kN/cm2, a izduženje %0%. Austenit ili ili γ -Fe -Fe predstavlja strukturu sa površinski centrisanom kubnom rešetkom (γ rešetka), koja egzistira na visokim temperaturama. Sadržaj ugljenika kod austenita može i#i i do 2% pri temperaturi od %%30 °C. Prema nekim ranijim, pogrešnim, koncepcijama koncepcijama razmatralo se postojanje još jednog ti pa strukture. Naime, Naime, smatralo se da se, izme!u temperature od 770 °C na kojoj gvož!e gu bi feromagnetizam i temperature od 9%0 °C na kojoj prelazi u austenitnu strukturu, javlja posebna struktura nazvana β -gvož -gvož!e (β -Fe). -Fe). Danas je, me !utim, poznato da u tom temperaturnom intervalu nema nikakvih strukturnih promena, pa nema ni potrebe za razmatranjem β -gvož -gvož!a. Dijagram stanja gvož!e-ugljenik predstavlja zavisnost sadržaja ugljenika u "eliku i temperature. Svaka ta"ka dijagrama predstavlja procenat ugljenika u leguri na odre!enoj temperaturi. Dijagram je podeljen na nekoliko oblasti koje predstavljaju stabilne strukture za odgovaraju#i raspon temperature i sadržaja ugljenika (slika %.82). Ako se posmatra proces hla!enja "elika sa 0,5% C sa po "etne temperature od %000 °C, može se uo"iti da je na toj temperaturi struktura austenitna - sav ugljenik je rastopljen u gvož!u. Nikakve strukturne promene se ne dešavaju sve do temperature od oko 800 °C, kada se prelazi granica izme!u austenitne oblasti (γ ) i oblasti koja predstavlja mešanu strukturu austenita i ferita (γ + α ). ). Ova granica se ozna"ava kao linija A3 (Ac3 pri zagrevanju i Ar3 pri hla!enju). To zna"i da neki od kristala sa površinski centrisanom rešetkom prelaze u oblik prostorno centrisane rešetke. rešetke. S obzirom da ferit sadrži veoma veoma malo ugljenika, oslobo!eni ugljenik se mora koncentrisati u austenitu. Sadržaj ugljenika u feritu i austenitu, kao i njihove relativne proporcije u mikrostrukturi, moraju se uskladiti tako da ukupan sadržaj ugljenika ostane nepromenjen. nepromenjen. Pod pretpostavkom da je "elik ohla!en do temperature od 750 °C, ta"ka X uve#anog dela dijagrama (slika %.83) predstavlja kombinaciju razmatrane temperature i procenta ugljenika. Linija povu"ena paralelno apscisnoj osi se"e grani"ne linije ove oblasti u ta"ka-

62


ma F i A. Odnos duži FX i AX obrnuto je srazmeran odnosu koli "ina ferita i austenita u ukupnoj koli"ini "elika. Sa padom temperature raste koli"ina ferita kao i sadržaj ugljenika u preostalom austenitu sve do temperature od 723 °C. Na toj temperaturi dostiže se maksimum od 0,78% C u austenitu.

Slika 1.82 - Dijagram stanja gvož # # e-ugljenik e-ugljenik

Slika 1.83 - Uve"ani deo dijagrama

Dalje hla!enje izaziva razdvajanje austenita na mešavinu ferita i cementita (Fe3C), odnosno nastajanje perlita. Tako se prelazi u oblast koja predstavlja mešavinu ferita i perlita u istom odnosu u kome su bili ferit i austenit neposredno pre njegove dekompozicije. U konkretnom slu"aju koji se razmatra ima oko dva puta više perlita nego ferita. Za sve "elike sa manje od 0,78% C odvija se identi"an proces, osim u odnosu na dobijenu koncentraciju perlita u mikrostrukturi na temperaturama nižim od 723 °C. Ona se približno linearno menja od 0% za sadržaj ugljenika u "eliku od 0,08% do %00% za sadržaj ugljenika od 0,78% C (slika %.84b). Pri ve#oj koncentraciji ugljenika u "eliku od 0,78% pri hla!enju se iz austenitne prelazi u oblast u kojoj dolazi do izdvajanja cementita (Fe3C) iz austenita. Na granici od 723 °C kada dolazi do zasi#enja austenita ugljenikom, kao i u prethodnom slu"aju on se razdvaja i pretvara u perlit. Na taj na"in dobija se struktura koja se sastoji od manjeg broja "estica Fe3C u masi perlita.

3.2.3 Sporo hla$eni #elici 3.2.3.1 Uvod Dijagram stanja predstavlja zapravo prikaz procesa sporog hla!enja "elika. Rezultat ovog procesa predstavlja mikrostruktura sastavljena od ferita i perlita ili od cementita i ferita. Ferit je duktilan i sa ne posebno velikom zateznom "vrsto#em, dok perlit ima ve#u


63

"vrsto#u

na zatezanje, ali je krt. Kakve #e biti karakteristike dobijenog "elika zavisi od procentualnog u"eš#a ovih struktura u njegovom sastavu, koji zavisi od procenta ugljenika (slika %.84). O"igledno je da pove#anje procenta ugljenika u sastavu "elika izaziva pove#anje granice razvla"enja i ja"ine, ali i smanjenje duktilnosti i žilavosti. Pri tome je važno zapaziti da male promene sadržaja ugljenika izazivaju velike promene navedenih karakteristika. Izbor odre!enog "elika zbog toga prvenstveno zavisi od njegove budu#e namene. Tako, na primer, "eli"ni limovi namenjeni za kasnije hladno oblikovanje, proizvode se sa minimalnim sadržajem ugljenika koji iznosi 0,04%. U slu"aju konstrukcionih "elika teži se povišenim mehani"kim karakteristikama. Me!utim, sadržaj ugljenika ve#i od 0,25% izaziva teško#e pri zavarivanju, tako da se takvi "elici retko koriste kao konstrukcioni. Dijagram zavisnosti "vrsto#e na zatezanje ( f u), odnosno granice razvla"enja ( f y) i sadržaja ugljenika kod zavarljivih konstrukcionih "elika, dat je na slici %.85. $elici sa više od 0,25% C svoju primenu nalaze npr. kod visokovrednih zavrtnjeva, a najviše u oblasti mašinstva.

Slika 1.84 - Uticaj sadržaja ugljenika na: a) mehani! ke karakteristike normalizovanih ! elika; b) sadržaj perlita

Slika 1.85 - $ vrsto"a na zatezanje (f u ) i granica razvla! enja (f y ) u funkciji sadržaja ugljenika kod zavarljivih konstrukcionih ! elika

3.2.3.2 Normalizacija $elik

hla!en veoma sporo i kontrolisano u pe#ima, ponaša se u skladu sa dijagramom stanja. Ukoliko se proces hla!enja malo ubrza, navedene transformacije #e se tako!e brže dešavati. Štaviše, može se desiti da transformacije nisu u stanju da prate pad temperature.

64


Tako #e se, na primer, isti "elik, uklonjen iz pe#i i pušten da se hladi na vazduhu, ohladiti pre završetka odre!enog niza transformacija. Posledica ovoga je tendencija ka blagom pove#anju koli"ine ferita u mikrostrukturi, kao i dobijanje ferita sitnozrnije strukture i perlita finije strukture tj. manjih dimenzija lamela. $elici hla!eni u pe#ima poznati su kao potpuno-prekaljeni "elici, dok se vazdušno ohla!eni nazivaju normalizovani "elici. Kao što je ranije istaknuto, granica razvla"enja ferita zavisi od veli"ine zrna njegove strukture. Druge važne karakteristike, kao što su duktilnost i žilavost, tako!e se poboljšavaju smanjenjem veli"ine zrna. Isti je slu"aj sa perlitom. Što su manje dimenzije lamela i perlit ima bolja mehani"ka svojstva. Poboljšanje jedne karakteristike obi"no dovodi do pogoršanja neke druge. Me!utim, u ovom slu"aju navedene mikrostrukturne promene su uzrok višestrukom poboljšanju materijala, što je redak slu"aj u metalurgiji. Na veli"inu zrna može se uticati i zagrevanjem do temperature na kojoj je "elik u pot punosti u austenitnom stanju. Zrna strukture austenita vremenom se ukrupnjavaju i to eks ponencijalno sa temperaturom. Važnost ove pojave je u tome što transformacija na ferit i perlit pri hla!enju po"inje sa veli"inom zrna austenita. Ako stvaranje novih struktura po"ne kasnije i rezultuju#a veli"ina zrna #e biti ve#a. To je razlog što "elik ne bi trebalo pregrevati pri austenizaciji pre normalizacije. Temperatura do koje se "elik zagreva pre hla!enja na vazduhu odnosno temperatura normalizacije, treba da predstavlja najnižu temperaturu austenitne oblasti. Sa dijagrama stanja gvož!e-ugljenik (slika %.82), može se zaklju"iti da temperatura normalizacije opada sa porastom procenta ugljenika od 0 do 0,8%.

3.2.3.3 Mikrostrukturne promene usled toplog i hladnog oblikovanja $eli"ni

profili mogu se proizvesti raznim postupcima toplog i hladnog oblikovanja i ti procesi zna"ajno uti"u na formiranje mikrostrukture "elika. Proces toplog valjanja "eli"nih profila po"inje na temperaturama zna"ajno unutar austenitne oblasti, gde je "elik mek. Usled nanetih deformacija dolazi do narušavanja pravilnog rasporeda atoma u kristalnoj rešetki, ali se na ovako visokim temperaturama njegovo uspostavljanje brzo i lako obavlja. Prema tome, procesi deformisanja i reformiranja odvijaju se uporedo. Veli"ina nanetih deformacija i temperatura valjanja mogu uticati na veli"inu zrna austenita i to tako da je sitnozrna struktura rezultat ve#ih deformacija na nižim temperaturama. Ako se postupak valjanja završi na temperaturi malo iznad feritno austenitne oblasti (α +γ ) dijagrama stanja, a profil se potom podvrgne hla!enju na vazduhu, rezultat #e biti uobi"ajena normalizovana mikrostruktura. Proces valjanja se može nastaviti i na nižim temperaturama, odnosno u oblasti uravnotežene strukture ferita i austenita. U tom slu"aju razvi#e se slojevita struktura. Ako se dalje primeni postupak normalizacije, perlit dobijen dekompozicijom austenita #e biti trakasto raspore!en po materijalu, što ne izaziva neke naro"ito štetne efekte. Uobi"ajeno je da se valjanje na temperaturama nižim od 723 °C ograni"ava samo na niskougljeni"ne "elike koji sadrže manje od 0, %5% C. S obzirom da se u ovom slu"aju postupak obavlja u oblasti strukture sa"injene od ferita i perlita, postupak valjanja je zbog prisustva perlita otežan. Kao i u slu"aju austenitne strukture, vrši se uporedo deformisanje i reformisanje feritnih zrna. Na temperaturi od oko 650 °C po"inje rasturanje lamela karbida u perlitu na niti sa"injene od sitnih karbidnih "estica u pravcu valjanja. Ferit iz perlita postaje neraspoznatljiv od ostatka ferita.


65

Na atmosferskoj temperaturi oblikovanje valjanjem se obavlja još teže. Ferit je o"vrsnuo pa se ne može vršiti reformisanje poretka atoma u njegovoj kristalnoj strukturi. Pove#ana je granica razvla"enja i ja"ina, ali je znatno smanjena duktilnost, odnosmo materijal je "ostario", pa može do#i i do pojave prslina. Uticaj hladnog oblikovanja na mehani"ke karakteristike "elika prikazan je na dijagramu (slika %.86). Ovakvi efekti postižu se ne samo hladnim valjanjem, ve# bilo kojim postupkom hladne obrade. Da bi se obnovila duktilnost i u isto vreme smanjila ja"ina materijala, neophodno je reformisati izotropnu, kristalnu strukturu gvož!a. Postupak ponovnog formiranja zrna i is pravljanja položaja atoma u kristalnoj rešetki na temperaturi nižoj od temperature o"vrš#avanja, naziva se rekristalizacija. Ovaj postupak se primenjuje da bi se poništio efekat hladne obrade. Mehani"ke karakteristike mogu se popraviti, odnosno vratiti na prvobitne, zagrevanjem (žarenjem) do odre!ene temperature, kada atomi zauzimaju pravilan raspored u kristalnoj rešetki, to jest stvaraju nova zrna sa pravilnim rasporedom atoma. Ovakav postu pak toplotne obrade se može primeniti za sve vrste konstrukcionih "elika.

Slika 1.86 - Efekat hladnog oblikovanja na mehani ! ke karakteristike ! elika

3.2.4 Brzo hla$eni #elici 3.2.4.1 Opšte Razlaganje austenita u perlit odigrava se samo u slu"aju da je hla!enje dovoljno sporo, kao što je slu"aj kod normalizovanih "elika. Ako se hla!enje još više ubrza, pretvaranje austenita u perlit ne može da prati pad temperature, pa dolazi do nastajanja posebne strukture zvane bejnit . Stvaranje perlita inicirano je klicom cementita, a stvaranje bejnita klicom prezasi#enog ferita, koji izbacuje ugljenik i stvara cementit kao sekundarni proizvod. Bejnit se javlja u vidu podklasa gornjeg i donjeg bejnita. Struktura mu je igli "asta i to intenzivnije u donjoj podklasi. Pri jako velikim brzinama hla!enja, austenit se umesto u perlit ili bejnit, transformiše u strukturu nazvanu martenzit. Kristalna rešetka martenzita je kao i feritna, prostorno centri-

66


sana kubna rešetka. Pošto je brzina hla!enja velika, ugljenik oslobo!en pri transformaciji austenita koji ima mnogo ve#u mo# njegovog rastvaranja, ne uspeva da difunduje dovoljno brzo, ostaje zarobljen, pa je dobijena martenzitna rešetka izobli"ena. Ovako brzo hla!enje "elika postiglo bi se njegovim zagrevanjem do npr. 900 °C, a zatim hla!enjem u hladnoj vodi. Konstrukcije u praksi ne#e biti izložene ovakvom tretmanu, ali pojavu martenzita u lokalnim oblastima može prouzrokovati zavarivanje. Zona šava izložena je temperaturi topljenja "elika, pa se okolni "vrst metal zagreva do temperature koja je znatno u austenitnoj oblasti. Kada se izvor toplote ukloni, cela oblast se hladi brzinom odre!enom toplotnim provo!enjem ka hladnom metalu. Stepen pada temperature može biti i veoma velik, pa "ak i preko %000 °C/s. Zbog toga je vrlo bitno razmotriti karakteristike brzo hla!enih "elika. Merenja tvrdo#e predstavljaju dovoljno dobar pokazatelj drugih karakteristika, bez obzira na sastav strukture. Tvrdo#a i žilavost ugljeni"nih "elika zavise od sadržaja ugljenika, kao i od procenta austenita pretvorenog u martenzit. Tvrdo#a i žilavost martenzita zavise od sadržaja ugljenika. Na dijagramu (slika %.87) prikazana je zavisnost tvrdo#e martenzita i sadržaja ugljenika. Date su i vrednosti drugih mehani"kih karakteristika ekvivalentne odre!enoj tvrdo#i, za oblast konstrukcionih "elika.

HV

f y

f m

χ

δ

[kg/mm2] [N/mm2] [N/mm2] [%] [%] %80

500

680

30

70

350

%000

%200

%5

35

Slika 1.87 - Uticaj sadržaja ugljenika na tvrdo "u martenzita (HV)

Pove#anje žilavosti martenzita može se posti#i i postupkom kaljenja. To je postupak ponovnog zagrevanja do odre!enih temperatura, "ime se postiže omekšavanje i pove#anje žilavosti materijala i to u obimu koji raste sa porastom temperature kaljenja. Na dijagramu (slika %.88) je prikazana navedena zavisnost.

67


$elici dobijeni prethodno navedenim postupcima termi"ke obrade (brzim hla!enjem i kaljenjem) koriste se za razne svrhe kod kojih se zahteva tvrdo#a, otpornost na habanje, ja"ina i žilavost. Me!utim, treba voditi ra"una da proces transformacije austenita u martenzit prati pove#anje zapremine od 0,3%. Uz neravnomerno skupljanje, kao posledicu neravnomernog hla!enja, to može izazvati lokalne napone i prsline u martenzitu. U toku zavarivanja može do#i do zadržavanja mehuri#a gasova u metalu. To daje efekat unutrašnjeg pritiska i dalje intenzivira stvaranje prslina, "emu su tvrdi materijali podložniji od mekših i duktilnijih. Zbog toga ne treba težiti dobijanju "elika prevelike tvrdo#e, što zna"i da stvoreni martenzit treba da sadrži manje od 0,25% C ili uopšte ne treba da do!e do njegovog formiranja.

Slika 1.88 - Uticaj kaljenja na tvrdo "u i žilavost

3.2.4.2 Zakaljivost materijala Sposobnost materijala da do odre!ene dubine formira martenzitnu strukturu naziva se zakaljivost. Uobi"ajeni metod za procenu zakaljivosti "elika je Džomini-proba. Ovaj postupak zasniva se na austenizaciji cilindri"ne šipke pre"nika 25 mm, tj. njenom zagrevanju u pe #i do temperature do %%00 °C, a zatim na hla!enju jednog njenog kraja mlazom vode što izaziva razli"iti stepen hla!enja duž šipke. Nakon toga vrši se ocena tvrdo#e i mikrostrukture podužnog preseka, u funkciji rastojanja od hla!enog kraja. Tvrdo#a se meri Brinelovim postupkom, utiskivanjem kuglice duž vrata epruvete. Rezultati takvog jednog testa prikazani su na slici (slika %.89). Rezultati testa pokazuju da "isto ugljeni"ni "elik sa manjim sadržajem mangana (Mn) ima osobinu zakaljivosti samo pri velikim brzinama hla!enja. Sa druge strane kod ugljeni"nog "elika sa ve#im sadržajem Mn martenzit se formira pri sporijem hla!enju, da bi se u slu"aju legiranog "elika kakav je na dijagramu razmatran, formiranje martenzita vršilo pod veoma malim brzinama hla !enja. Vrstu "elika koju treba izabrati uslovljava njegova budu#a namena. Tako na primer, za zavarene elemente treba izabrati slabo zakaljiv "elik. Iz istih rezultata se vidi da zakaljivost zavisi od prisustva legiraju#ih elemenata i sadržaja ugljenika. Može se uvesti veli"ina ekvivalenta ugljenika (CE) koji se, prema Me!unarodnom institutu za zavarivanje, odre!uje prema izrazu: CE = C +

Mn 6

+ C r + M o + V + N i + C u !%" 5

%5

(%.%)

68


Slika 1.89 - Rezultati Džomini - probe

Zavarljivi "elici imaju CE≤0,4%. Ovim ekvivalentom limitiran je maksimalan sadržaj legiraju#ih elemenata u konstrukcionim "elicima.

3.2.5 Ne#isto%e u #eliku U jednoj toni "elika nalazi se izme!u %0%2 i %0%5 uklju"aka (inkluzija) koje zapremaju do %% zapremine, što zavisi od porekla rude, koksa i drugih materijala koji se koriste za ekstrakciju metala, kao i od na"ina proizvodnje "elika. Neki od uklju"aka su dovoljno veliki i lako se uo "avaju pod uve#anjem opti"kog mikroskopa, dok su drugi suviše mali, pa se moraju otkriti nekim složenijim metodama. U prvu grupu spadaju "estice zgure i mangan sulfida (MnS). Na temperaturama toplog valjanja ove inkluzije su plasti"ne i izdužene u pravcu valjanja, u skladu sa metalom okruženja. U drugu grupu spadaju nitridi i oksidi aluminijuma i drugi visoko-oksidiraju#i metali, koji se koriste za dezoksidaciju rastopljenog "elika pre livenja. Njihovo prisustvo indirektno uti"e na mikrostrukturu, jer ko"i procese koji vode ukrupnjavanju zrna. Ne"isto#e sa najštetnijim uticajem su sumpor (S) i fosfor (P). Osim kada su prisutini u veoma maloj koncentraciji, oni formiraju "estice fosfida i sulfida, koji štetno deluju na žilavost. Pod malim koncentracijama podrazumeva se manje od 0,05%. Nizak sadržaj fosfora je relativno lako posti#i tokom prerade sirovog gvož!a u "elik. Sumpor je teže ukloniti i njegov sadržaj se kontroliše pažljivim izborom sirovog materijala kao i dodatnim postupcima savremene proizvodnje, koji ga uklanjaju. Poslednjih godina je uveden ve#i broj metoda, kojim se smanjuje sadržaj ne"isto#a u rastopljenom "eliku pre livenja u ingote. Njihov rezultat su tzv. "isti "elici. Oni još uvek sadrže dosta uklju"aka, ali su znatno žilaviji od ostalih.


69

3.2.6 Mangan u konstrukcionim #elicima Mangan je element koji se uvek dodaje "eliku. U kombinaciji sa sumporom on formira mangan sulfid, koji je znatno manje štetan od gvož!e sulfida, što mu je i jedna od glavnih namena. Njegovo prisustvo ima još nekoliko prednosti. Kod normalizovanih "elika on pove#ava nivo pothla!ivanja austenita, pa se postiže sitnozrnija struktura. To dalje uzrokuje pove#anje "vrsto#e i smanjenje temperature. Mangan tako!e pove#ava zakaljivost i njegovo prisustvo u martenzitu ga "ini tvrdim. Ukoliko se njegov sadržaj suviše pove#a, njegove prednosti se mogu pretvoriti u mane. Zbog toga je obi"no ograni"en maksimum sadržaja mangana na %,5%. Postoji i konvencija po kojoj je izvršena podela na "isto ugljeni"ne "elike, sa manje od %% Mn i ugljeni"no manganske "elike, sa više od %% Mn.

3.3 MEHANI!KE KARAKTERISTIKE !ELIKA Mehani"ke karakteristike "elika su najzna"ajnije od svih osobina za prora"un "eli"nih konstrukcija. Od mehani"kih karakteristika "elika najzna"ajnija je granica razvla"enja ( f y) koja predstavlja grani"nu vrednost za dimenzionisanje, bilo preko postoje#ih metoda dopuštenih napona, bilo preko novih metoda grani"nih stanja. Tako!e su od zna"aja: "vrsto#a na zatezanje ( f u), procentualno izduženje (δ ), žilavost (ϕ ), modul elasti"nosti ( E ), modul klizanja (G) i tangentni modul ( E t). Modul elasti"nosti - Jangov (Young ) modul ( E =σ / ε ) ozna"ava krutost "eli"nog materi jala u oblasti elasti"nosti u kojoj ostaju naprezanja najve#eg broja nose#ih konstrukcija i izražava zavisnost izme!u normalnog napona i dilatacije. Izduženje i kontrakcija su pokazatelji deformabilnosti materijala za vreme njegove obrade i pri dostizanju napona u oblasti plasti"nosti. Modul klizanja je konstanta materijala koja odre!uje zavisnost izme!u smi"u#eg napona i promene ugla. Glavne mehani "ke osobine konstrukcionih "elika utvr !uju se ispitivanjem opitom zatezanja na standardnoj epruveti. Vrednosti osnovnih karakteristika zajedni"ke za sve "elike su: 3 - zapreminska masa, γ = 7850 !kg/m " E = 2%000 !kN/cm2" - modul elasti"nosti, G = E/!2(%+ν )" = 8%00 !kN/cm2" - modul klizanja, - Puasonov koeficijent kontrakcije, ν = 0,3 -5 - koeficijent termi"kog širenja. α = %,2 ⋅ %0 !%/°C" Od ovih zajedni"kih osobina modul elasti"nosti se može donekle razlikovati u zavisnosti od vrste "elika i postupka proizvodnje (toplo ili hladno valjanje), pa ga treba uslovno prihvatiti. Na slici %.90 prikazana su dva osnovna oblika dijagrama napon-dilatacija za konstrukcione "elike. Osnovna razlika izme!u ovih dijagrama je u tome što je na dijagramu % jasno izražena granica razvla! enja ( f y), a kod dijagrama 2 nije. Ako granica razvla "enja nije oštro istaknuta uvodi se pojam konvencionalne granice razvla! enja koja predstavlja napon pri kome pri rastere#enju ostaje 0,2% nepovratne deformacije. Ova granica razvla"enja se uobi"ajeno zove ( f 0,2). Niskougljeni"ni i niskolegirani "elici imaju izraženu granicu razvla"enja, dok legirani, visokovredni i hladno redukovani "elici imaju neizraženu

70


odnosno konvencionalnu granicu razvla"enja. Granica razvla"enja ( f y) odgovara granici plasti"nosti i u funkciji je od debljine "eli"nog proizvoda. To je posledica promene kristalne strukture metala pri te"enju, pa su stoga tanki komadi izloženi višestrukom ciklusu te"enja što im daje višu granicu razvla"enja od proizvoda ve#e debljine. Sli"no granici f 0,2 definiše se i granica elasti! nosti ( f e). S obzirom na teško #e preciznog odre!ivanja ove veli"ine za granicu elasti"nosti "elika konvencionalno se usvaja napon pri kome se dobijaju trajne deformacije veli"ine 0,0%% ili 0,005%. $ vrsto"a ! elika na zatezanje ( f u) predstavlja najve#i napon ostvaren u uzorku pri ispitivanju.

Slika 1.90 - Uporedni dijagrami razli! itih vrsta ! elika

4 ISPITIVANJE SVOJSTAVA METALA 4.1 ISPITIVANJE METALA NA ZATEZANJE Postoji nekoliko mehani"kih svojstava koja odre!uju pogodnost posmatranog materi jala za odre!enu primenu. Pri njihovom odre!ivanju važno je voditi ra"una o stanju na pona kojem je posmatrani materijal izložen. U stvarnosti, uslovi koriš#enja su obi"no uzrok kompleksnim kombinacijama razli"itih stanja napona. Me!utim, sasvim je uobi"ajeno da neko od ovih stanja napona dominira, pa su i odgovaraju#e mehani"ke karakteristike od najve#eg interesa. Tako je za prakti"nu primenu metala od najve#eg zna"aja ispitivanje aksijalnim zatezanjem, na osnovu koga se odre!uju slede#a mehani"ka svojstva: − granica elasti"nosti ( f e), − granica razvla"enja ( f y), − "vrsto#a na zatezanje ( f u), − modul elasti"nosti ( E ), − izduženje pri lomu (δ ), − kontrakcija ( #).

7%


Kada je napon pod kojim se materijal nalazi manji od napona koji odgovara lomu, materijal se deformiše ili elasti"no ili elastoplasti"no. Elasti"ne deformacije su povratne i nestaju sa uklanjanjem optere#enja. One odgovaraju nižim nivoima optere#enja. Kada na pon pre!e granicu elasti"nosti, dolazi do pojave plasti"nih deformacija koje su trajnog karaktera. Elasti"no ponašanje je u najve#em delu linearno i opisano je Hukovim zakonom, po kome su naponi i deformacije linearno zavisni. Postoji mogu#nost i nelinearnog elasti"nog ponašanja kao i neelasti"nog ponašanja materijala, u smislu da se linije σ -ε dijagrama pri optere#enju i rastere#enju ne poklapaju, pa dolazi do pojave histerizisa. U praksi su svi metali elasti"ni samo do odre!enog stepena naprezanja. Ispitivanje svojstava metala na zatezanje predstavlja stati"ko ispitivanje koje se u opštem slu"aju vrši koriste#i standardizovane uzorke i proceduru. Osnovni uzorci za ispitivanje (epruvete) prikazani su na slici %.9% i sastoje se iz suženog dela dužine ! p površine preseka Ao, kao i proširenih krajeva (glava) preko kojih se vrši njihovo pri"vrš#ivanje i nanošenje optere#enja u ure!aju za ispitivanje. Svi uzorci moraju biti obra!eni na standardom precizno propisan na"in.

Slika 1.91 - Uzorci za ispitivanje mehani ! kih svojstava ! elika

Dužina !o u okviru koje se vrše sva merenja, naziva se merna dužina epruvete. Naj"eš#u primenu imaju tzv. proporcionalne epruvete kod kojih je: !o=5,65 !o=%%,3

⋅ Ao

za

⋅ Ao

za

!o !o

≥ 25 mm

(%.2a)

< 25 mm

(%.2b)

U slu"aju epruvete kružnog popre"nog preseka pre"nika d o, ovi odnosi se svode na !o=5d o, odnosno !o=%0d o. Pored ovih, mogu se koristiti i neproporcionalne epruvete sa proizvoljnim dimenzijama, ali se to mora naglasiti pri prezentaciji rezultata. U standardu su tako!e precizno definisani posebni uslovi za ispitivanje tankih limova i uzoraka koji se isecaju iz "eli"nih cevi. U oba slu"aja uzorci su oblika "oslabljenih" epru-

72


veta, pri "emu kod tankih limova, širine uzorka h mogu biti %2,5 ili 20 mm, a dužine ! p i !o se odre!uju u zavisnosti od veli"ine h. Uzorci "eli"nih profila, cevi razli"itog pre"nika, betonskog "elika, žica i lima koji se is pituju bez posebne obrade, u stanju isporuke, nazivaju se tehni"ke epruvete. Kao i u ostalim slu"ajevima sva merenja se vrše unutar merne dužine !o koja je ta"no definisana. Do σ -ε dijagrama iz koga se dobijaju podaci o mehani"kim svojstvima dolazi se optere#ivanjem uzorka silama zatezanja P , brzinom od %0 MPa/s. Paralelno se vrši registrovanje odgovaraju#eg izdužnja uzorka pomo#u mernog instrumenta, na mernoj bazi u okviru merne dužine !o. Dobijeni dijagram sila-izduženje se zatim transformiše u σ -ε dijagram, uzimaju#i u obzir dimenzije uzorka. U opštem slu"aju, izduženje uzorka se sastoji iz dva principijelna doprinosa, elasti"nog i plasti"nog. Plasti"na deformacija se sastoji iz ravnomerne deformacije pri kojoj se svi delovi na dužini !o izdužuju u istom iznosu, kao i lokalne deformacije tj. kontrakcije u nekom preseku. Karakteriti"an oblik epruvete neposredno pre loma, kao i šematski prikaz di jagrama σ -ε prikazan je na slici %.92.

Slika 1.92 - Šematski prikaz σ -ε dijagrama i deformisani oblik epruvete pri lomu

Proces deformacije se završava lomom suženog dela. Do loma može do#i i u elasti"noj oblasti, što je slu"aj kod krtih metala. Kao krti metali opisuju se i oni kod kojih do loma dolazi i nakon vrlo ograni"enog obima plasti"ne deformacije. Nasuprot njima, duktilni (Ejlovi) metali su oni kod kojih pre loma dolazi do zna"ajnijih plasti"nih deformacija, no i u tom slu"aju ne mora do#i do velike kontrakcije preseka. Za uzorak sa osnovnim presekom Ao, merne dužine !o, koji se ravnomerno izdužuje pod optere#enjem P do dužine !, sa odgovaraju#om površinom preseka A, mogu se definisati slede#e vrednosti: - Nominalni napon σ n koji predstavlja odnos trenutne sile i osnovne površine preseka:

73


σ n

= P

(%.3)

Ao

- Stvarni napon σ st koji predstavlja odnos trenutne sile i trenutne površine preseka: σ st =

P A

(%.4)

- Nominalna dilatacija ε n koja predstavlja odnos promene merne dužine i njene osnovne vrednosti: ε n

= ! − !o

(%.5)

!o

- Stvarna dilatacija ε st koja predstavlja inkrementalnu trenutnu deformaciju integrisanu po celoj dužini tj. !

ε st =

d !

∫

!o

!

= ln   ! o    ! 

(%.6)

Imaju#i u vidu da tokom uniformne plasti"ne deformacije zapremina ostaje nepromenjena ( Ao ⋅ ! o = A ⋅ ! ), može se dobiti veza izme!u stvarnih i nominalnih vrednosti napona i deformacija: P P Ao (%.7) ⋅ ⇒ σ st = P ⋅ ! = σ n ! σ st = = !o A Ao A Ao ! o ε n

=

!

− !o !o

=

! !o

−% ⇒

! !o

= % + ε n

(%.8)

pa je: σ st = σ n (% + ε n )

 ! o   = ln(% + ε ) n  ! 

ε st = ln 

Dva tipi"na oblika σ -ε dijagrama za "elik prikazani su na slici %.93.

(%.9) (%.%0)

74


Slika 1.93 - Tipi! ni oblici σ -ε dijagrama

Neki metali, kao što je prethodno re"eno, imaju jasno izraženu granicu razvla"enja ( f y). Kod njih dolazi do nagle pojave plasti"nog te"enja koju prati pojava niza obeležja na površini uzorka poznatih kao Luderove linije. One ukazuju na oblasti koje su pretrpele plasti"nu deformaciju i šire se dok ne zahvate "itavu dužinu uzorka. Nakon što se uzorak na celoj dužini plastifikuje, ponašanje koje sledi je sli"no ponašanju metala koji nemaju ovaj fenomen. Ova pojava je jasno prikazana na slici %.93a. Na njemu se jasno isti"u dve vrednosti: − gornja granica razvla! enja, odnosno napon na po"etku procesa plastifikacije − donja granica razvla! enja, koja predstavlja najnižu vrednost napona u toku opisanog procesa plastifikacije. Za mnoge metale prelaz iz elasti"ne u plasti"nu oblast deformacije nije potpuno evidentan, pa se uvodi pojam konvencionalne granice razvla"enja. Ona se definiše kao napon pri kome se trajno izduženje materijala javlja u odre!enom procentu (obi"no 0,2%) od prvobitne dužine, pa se još naziva i granica f 0,2. Na osnovu σ -ε dijagrama ova vrednost se lako odre!uje kada se na apscisi obeleži dilatacija od 0,2%, i kroz tu ta"ku povu"e paralela sa linearnim delom σ -ε dijagrama. Prese"na ta"ka σ -ε dijagrama i ove prave definiše na pon f 0,2 (slika %.93b). Maksimum σ -ε dijagrama odgovara trenutku prelaza iz ravnomerne u lokalnu plasti"nu deformaciju tj. odgovara po"etku kontrakcije dela preseka. Ova maksimalna vrednost na pona u uzorku ostvarena u toku ispitivanja naziva se "vrsto#a na zatezanje i definiše se kao: f u

= P max A

gde je: P max maksimalna vrednost nanesene sile, A najmanja površina preseka (površina kontrakovanog preseka).

(%.%%)

75


U slu"aju "elika, dijagram σ -ε je nesumnjivo linearan u elasti"noj oblasti, a naponi i deformacije su direktno proporcionalni, pa se modul elasti"nosti "elika koji se koristi u praksi izra"unava kao tangens ugla α o: E = tg α o =

σ n ε n

(%.%2)

Za gra!evinske "elike ova vrednost iznosi %9.000-2%.000 kN/cm2 i to: − E=%9.000-20.000 kN/cm2 za užad i kablove kod prethodno napregnutih konstrukcija, − E=20.000-2%.000 kN/cm2 za nose#e "eli"ne konstrukcije i betonski "elik. Prethodno opisanim ispitivanjem na zatezanje se odre!uju još dva zna"ajna parametra, a to su izduženje i kontrakcija epruvete pri lomu (prekidu). Ovi parametri tako!e predstavljaju dobre pokazatelje žilavosti, odnosno duktilnosti metala. Izduženje pri lomu δ predstavlja trajno izduženje merne dužine epruvete nakon prekida u odnosu na prvobitnu vrednost, u procentima: δ =

!

− ! o ⋅ %00 !%"

(%.%3)

!o

Kontrakcija epruvete pri lomu ( #) predstavlja procentualno smanjenje površine po pre"nog preseka epruvete u odnosu na prvobitnu vrednost: ψ =

Ao − A ⋅ %00 !%" A

(%.%4)

Žilavijim materijalima odgovaraju ve#e vrednosti kontrakcije i izduženja pri lomu. U opštem slu"aju zona kontrakcije ne zavisi od merne dužine !o ve# samo od oblika i površine preseka epruvete, pa je zato uticaj izduženja u zoni kontrakcije ve#i pri manjim nego pri ve#im dužinama. Zbog toga pri prikazu rezultata obavezno treba navesti i podatak o mernoj dužini na koju se on odnosi (na primer δ %0, δ 5 itd.). Treba napomenuti da se odre !ivanje prethodno opisanih svojstava vrši na osnovu ve#eg broja rezultata koji omogu#ava njihovu statisti"ku obradu i primenu teorije verovatno#e. Navedene mehani"ke karakteristike spadaju u grupu strukturno-osetljivih svojstava, što zna"i da na njih zna"ajno uti"u promene u makro ili mikrostrukturi koje nastaju na primer pri procesu valjanja ili kontrolisanih toplotnih tretmana.

4.2 ISPITIVANJE METALA NA PRITISAK Ispitivanje mehani"kih svojstava metala na pritisak vrši se na uzorcima cilindri"nog oblika "ija je dužina mala da bi se izbeglo izvijanje. Pri tome, me !utim, dolazi do efekata trenja na krajevima "iji se uticaj na ponašanje na razne na"ine može smanjiti ali ni jednom metodom u potpunosti eliminisati. Vrednosti nominalnih i stvarnih napona i deformacija kao i njihova veza definiše se na sli"an na"in kao i kod ispitivanja zatezanjem pri "emu se vodi ra"una o "injenici da su nastale deformacije suprotnog znaka: σ n , c

= P Ao

σ st , c

= P A

σ st , c

= σ n,c (% − ε n,c )

(%.%5a)

76


ε n , c

= ho − h ho

h

ε st , c

= ∫ d ! = ln   ho    h  ho !

ε st ,c

= ln % − ε n,c

(%.%5b)

gde su: Ao i ho površina i visina koje odgovaraju osnovnom preseku, A i h površina i visina deformisanog uzorka. U ovom slu"aju nema oblasti sa neravnomernom plasti"nom deformacijom koja odgovara pojavi kontrakcije preseka pri zatezanju, ali efekti trenja na krajevima mogu pri velikim deformacijama izazvati zadebljanje uzorka u srednjoj zoni (cilindar poprima oblik bureta). Šematski prikaz nominalnih σ -ε dijagrama pri pritisku i zatezanju, kao i stvarni σ -ε di jagram koji predstavljaju karakteristiku posmatranog materijala, nalaze se u odnosu koji je prikazan na slici %.94. Stvarne vrednosti nalaze se izme!u nominalnih koje odgovaraju pritisku i zatezanju. Pored ispitivanja na zatezanje i pritisak mogu se vršiti i ispitivanja na smicanje, savijanje i uvijanje (torziju). Ipak, od najve#eg zna"aja je ispitivanje na zatezanje i odgovaraju#e vrednosti koje se njime dobijaju. U slu"aju metala, sva ostala ispitivanja se izvode veoma retko i nisu od naro"itog interesa.

Slika 1.94 - Šematski prikaz nominalnih i stvarnog σ -ε dijagrama

4.3 ISPITIVANJE TVRDO&E METALA Tvrdo#a je mera otpora deformaciji usled utiskivanja zupca malih dimenzija, odre!enog oblika i materijala, u površinu materijala koji se ispituje. U ovom slu"aju, deformacija koja nastaje je kombiinacija elasti"nog i plasti"nog ponašanja. Me!utim, kao merena vrednost (vrednost koja se meri nakon uklanjanja optere#enja), tvrdo#a je uglavnom vezana za plasti"ne karakteristike, a samo u sekundarnom smislu za elasti"ne.

77


Tvrdo#a "elika naj"eš#e nije od uticaja na njegovu primenu u gra !evinarstvu. Ipak, s obzirom da se može uspostaviti relacija izme!u dobijenih vrednosti tvrdo#e i "vrsto#e materijala, ovo svojstvo se "esto ispituje. Razli"ite metode ispitivanja tvrdo#e razlikuju se po obliku tela koje se utiskuje u površini ispitivanog materijala. U svakom slu"aju, vrednost tvrdo#e dobija se kao odnos nanesene sile i površine otiska. Procedura testa podrazumeva postavljanje utiskiva"a u kontakt sa površinom materijala, zatim postepeno pove#anje sile u toku %2-%8 sekundi do maksimalne vrednosti, zadržavanje te vrednosti neko vreme (%0-%5 s), i na kraju rastere#enje. Nakon toga vrši se o"itavanje dimenzija koje karakterišu površinu otiska i to uglavnom mikroskopom sa milimetarskim zavrtnjem. Naj"eš#e se primenjuju slede#e tri metode za odre!ivanje tvrdo#e: − Brinelova, − Vikersova i − Rokvelova. U slu"aju Brinelove metode, tvrdo#a se odre!uje utiskivanjem kaljene "eli"ne kuglice pre"nika D (slika %.95a). Merenjem pre"nika otiska d , koji u ovom slu"aju ima oblik kalote, može se izra"unati njegova površina ( F ot ), a zatim i tvrdo#a ( HB): F ot = HB =

π ⋅ D 

 D − D 2 − d 2    2 2 P

π ⋅ D D

2

2

− d

!MPa"

(%.%6) (%.%7)

gde je sila utiskivanja P u kN, a pre"nik D u mm. Za razli"ite metale koriste se razli"iti pre"nici kuglica i vrednosti sile. Kod "elika se ove vrednosti nalaze u odnosu P / D2=0,3.

Slika 1.95 - Metode za odre # ivanje tvrdo"e ! elika: a) Brinelova; b) Vikersova; c) Rokvelova

Naj"eš#e se primenjuju slede#e kombinacije pre"nika kuglice i sile pritiska, u zavisnosti od debljine lima (t ), "ija se tvrdo#a odre!uje: − za t = 3-6 mm D=2,5 mm P =%,875 kN − za t = 7-%0 mm D=5,0 mm P =7,5 kN

78


− za t > %0 mm D=%0,0 mm P =30,0 kN Vikersova metoda za odre!ivanje tvrdo#e koristi dijamantski šiljak oblika "etvorostrane piramide prikazan na slici %.95b. Površinu otiska odre!uje njegova dijagonala koja se izra"unava kao srednja vrednost merenih d % i d 2 :

(%.%8)

d =(d % + d 2)/2

Površina otiska ( F ot ) i tvrdo#a ( HV ) se odre!uju na slede#i na"in: d 2 F ot = %,854 HV = 0,%85 ⋅

(%.%9) P !MPa" 2 d

(%.20)

gde je sila P u kN, a dijagonala d u mm. Naj"eš#e se primenjuje sila od 0,3 kN, a ta"nost merenja je: − 0,00% za d ≤ 0,2 mm, − 0,002 za d > 0,2 mm. Rokvelova metoda podrazumeva utiskivanje dijamantske kuglice kod mekših materijala (na primer kod ugljeni"nih "elika), ili dijamantske kupe kod tvr !ih (na primer kod kaljenog "elika). Razlika u odnosu na prethodne dve metode je postupak nanošenja sile prikazan na slici %.95c . Prvo se nanosi sila P % (što izaziva otisak dubine h%), a zatim se ona pove#ava do vrednosti P %+ P 2 (otisak h2). Sila se zatim smanjuje na po"etnu vrednost prilikom "ega se otisak smanjuje za veli"inu elasti"ne deformacije. Veli"ina h3 kojom se ocenjuje tvrdo#a materijala predstavlja deo trajne dubine otiska koji odgovara rastere#enju do nivoa sile P %. Ova veli"ina se izražava u jedinicama po 0,002 mm. Dobijena tvrdo#a je bezdimenzionalna veli"ina koja prestavlja HRb ili HRc i odre!uje se oduzimanjem trajne dubine otiska od jednog konstantnog broja: HRb=%30$h3/0,002 ( P %=%00 N, P 2=900 N) HRc=%00$h3/0,002 ( P %=%00 N, P 2=%400 N)

(%.2%a) (%.2% b)

Korelacija vrednosti tvrdo#e sa drugim mehani"kim karakteristikama, može se ustanoviti empirijski. Ipak, takve veze treba tretirati sa pažnjom jer su izvedene na osnovu pret postavki da je materijal homogenog sastava i da je izložen ravnomernom toplotnom ili mehani"kom tretmanu. Izme!u zatezne "vrsto#e i tvrdo#e ugljeni"nih "elika, ustanovljena je empirijska zavisnost oblika: f u = k ⋅HB

(%.22)

gde je k koeficijent koji ima vrednosti 0,34-0,36 zavisno od odnosa granice razvla"enja i "vrsto#e na zatezanje.

4.4 ISPITIVANJE UDARNE ŽILAVOSTI $esto su materijali koji pokazuju sasvim prihvatljiva svojstva pri sporom nanošenju optere#enja (stati"kom optere#enju), podložni krtom lomu kada su izloženi brzom nanošenju optere#enja. Ispitivanje udarne žilavosti daje kao rezultat ocenu sposobnosti materijala da se odupre dinami"kim optere#enjima. Ova osetljivost na dinami"ka optere#enja (krti

79


lom), pove#ava se prisustvom zareza i pukotina na površini uzorka. Rezultati ispitivanja udarne žilavosti, tako!e, pružaju mogu#nost ocene žilavosti materijala, odnosno sklonosti ka krtom lomu. Žilavi materijali, sa površinski centrisanom kubnom rešetkom, kao što su aluminijum i bakar, otporni su na krti lom pod svim uslovima optere#enja i na svim temperaturama. Nasuprot njima, mnoge legure gvož!a, naro"ito niskougljeni"ki i niskolegirani "elici, pokazuju sklonost ka krtom lomu pri brzo nanetom optere#enju. Kvantifikovanje udarne žilavosti konvencionalno se vrši primenom udarnog testa sa velikom brzinom deformacije, na standardizovanim uzorcima sa zarezom (slika %.96). Ure!aj koji se koristi za ispitivanje naziva se Šarpijevo klatno. To je kalibrirano klatno ko je udara uzorak kvadratnog preseka stranice %0 mm, sa mašinski ura!enim zarezom dubine 3 mm. Kao mera udarne žilavosti koristi se udarni rad ( A) utrošen prilikom loma epruvete koji predstavlja apsorbovanu energiju iz ljuljaju#eg klatna prilikom deformacije loma uzorka, što se registruje na ure!aju: ϕ =

A 2 !J/cm " Ao

(%.23)

gde je: A udarni rad utrošen pri lomu, Ao površina preseka epruvete na mestu zareza.

Slika 1.96 - Šarpijev test za ispitivanje udarne žilavosti

Visoka udarna žilavost odgovara žilavom lomu, a niska udarna žilavost krtom lomu.

4.5 ISPITIVANJE TEHNOLOŠKIH SVOJSTAVA METALA U zavisnosti od konkretne primene "elika, vrši se veoma veliki broj tehnoloških ispitivanja. Od zna"aja za primenu u oblasti gra!evinskih "elika treba napomenuti: − ispitivanje savijanjem, − ispitivanje previjanjem i

80


− ispitivanje namotavanjem. Ispitivanje savijanjem se vrši pomo#u sistema valjaka prikazanih na slici %.97a. Dimenzije primenljivih valjaka zavise od debljine uzorka i vrste proizvoda koji se ispituje. Mera savitljivosti je ugao α pri kome se javlja prva pukotina na spoljnoj strani uzorka. U nekim slu"ajevima može se javiti potreba za dodatnim savijanjem direktnim pritiskom krakova (slika %.97b,c). U tom slu"aju se kao mera savitljivosti može uzeti i jedini"no izduženje spoljnih vlakana uzorka k dato kao: k = 50

t r

(%.24)

gde su: k savitljivost u procentima, t debljina uzorka i r polupre"nik krivine.

Slika 1.97 - Ispitivanje savijanjem

Ispitivanje naizmeni! nim previjanjem primenjuje se uglavnom kod limova i žica. Donji kraj uzorka se pri"vrš#uje u "eljusti ure!aja za ispitivanje, a uzorak se preko valjaka previ ja levo-desno za ugao od 90° sve do loma (slika %.98a). Rezultat ispitivanja je broj previjanja koji se izvrši pre loma. Brzina previjanja ne treba da prelazi jedno previjanje u sekundi, da bi se izbeglo prekomerno zagrevanje uzorka.

Slika 1.98 - Ispitivanje: a) naizmeni! nim previjanjem; b) namotavanjem


8%

Ispitivanje namotavanjem (slika %.98b) se primenjuje kod žica (npr. za prednapregnuti beton). Brzina namotavanja mora biti konstantna i ne velika da ne bi došlo do zagrevanja žice. Da bi zadovoljila ispitivanje, žica mora, bez prekida, da izdrži odre!en propisani broj namotaja.

4.6 METALOGRAFSKA ISPITIVANJA !ELIKA Metalografska ispitivanja se vrše u cilju dobijanja dopunskih podataka o svojstvima "eli"nih proizvoda i me!uproizvoda. Na osnovu ovih ispitivanja mogu se prili"no pouzdano oceniti mehani"ka i tehnološka svojstva "elika, kao i njihova pogodnost za primenu razli"itih mehani"kih i termi"kih postupaka obrade. Razlikuju se dva tipa matalografskih ispitivanja: − makrografska i − mikrografska. U oba slu"aja posmatrane površine uzorka se prvo izbruse, ispoliraju, a zatim nagrizu vodenim ili alkoholnim rastvorom neke kiseline ili soli. Naj"eš#e se upotrebljavaju: sum porna, hlorovodoni"na, azotna i ugljovodoni"na (mravlja) kiselina, a od soli: ferohlorid, bakaramonijumhlorid, amonijumpersulfat itd. Pri makroskopskim ispitivanjima ovako pripremljen uzorak se posmatra golim okom ili pomo#u lupe sa uve#avanjem 5:% do 20:%, uz fotografisanje. Ukoliko se ne vrši snimanje ispitivanje se naziva makroskopsko ispitivanje. Ovakvim postupkom otkrivaju se pukotine u materijalu, gasni mehurovi, prisustvo nemetalnih primesa i tragovi korozije, debljina slo ja dobijenog cementacijiom ili nitriranjem itd. Mikrografska ili mikroskopska ispitivanja su ona koja se vrše opti"kim ili elektronskim mikroskopima sa uve#anjem 50-3000 puta, koji rade sa odbijenom svetloš#u. Njihov princip rada prikazan je na slici %.99. Zraci svetlosti koji padaju na nagriženu površinu od bijaju se na razli"ite na"ine u zavisnosti od stepena nagriženosti pojedinih površina. Zraci odbijeni sa dosta nagriženih delova rasipaju se, a oni odbijeni sa slabo nagriženih delova se uglavnom vra#aju do oka posmatra"a. Na taj na"in posmatra" vidi više nagrižene površine kao tamne, a manje nagrižene kao svetle. Razli"ite strukturne komponente materijala sa razli"itom postojanoš#u se na taj na"in lako mogu uo"iti. Tako se ovom metodom odre!uje mikrostruktura "elika, odnosno veli"ina i oblik zrna, strukturne komponente, vrsta i raspored nemetalnih uklju"aka itd. Na osnovu procene procentualnog sadržaja pojedinih struktura mogu se predvideti mehani"ka i druga svojstva ispitivanog materijala (na primer na osnovu sadržaja ugljenika).

Slika 1.99 - Princip rada metalografskog mikroskopa

82


Ocenu mehani"kih i drugih svojstava tako!e omogu#avaju i dobijeni podaci o obliku i veli"ini zrna. Veli"ina zrna "elika se naj"eš#e izražava putem broja zrna po jedinici površine, koji se odre!uje njihovim prebrojavanjem pri odre!enom uve#anju mikroskopa. Kod nas se za odre !ivanje veli"ine zrna koristi uporedna ASTM ( American Society for Testing Materials) metoda koja propisuje uve#anje od %00 puta i daje vezu: Z = 2 N-%

(%.25)

gde je: Z broj zrna po kvadratnom in"u, N standardna veli"ina zrna (%-8). Osim prebrojavanjem, veli"ina zrna se može odrediti pore!enjem sa ASTM etalonom u kome je dat grafi"ki prikaz krupno#e zrna od % (najkrupnija zrna) do 8 (najsitnija zrna), tako!e pri uve#anju %00 puta. Sitnozrni materijali uvek imaju ve#u "vrsto#u, tvrdo#u i udarnu žilavost, a po pravilu i bolja tehnološka svojstva. Metalografskim ispitivanjima utvr !uje se i prisustvo ne"isto#a, kao što su nemetalni uklju"ci - sulfidi, fosfidi i nitriti, a njihov sadržaj se upore!uje sa odre!enim etalonima. Posmatrani uzorci moraju imati neošte#enu strukturu, pa se zato ne smeju isecati makazama ili autogenim se"enjem, ve# samo upotrebom alata (kao što su strugovi, glodalice) koji seku metal velikim brzinama uz stalno hla!enje.

5 VRSTE KONSTRUKCIONIH !ELIKA 5.1 OPŠTE $elik je legura gvož!a i ugljenika "iji se sadržaj kre#e od 0,05 do %,7%. Ako je ugljenik jedini legiraju#i element, "elik se naziva ugljeni! ni, a ako su dodati i drugi elementi naziva se legiran. Ugljeni"ni "elik u zavisnosti od procenta ugljenika može biti: − niskougljeni"ni (C<0,25%), − srednjeugljeni"ni (0,25
ciji nalaze na niskim temperaturama neophodno je vezati gasove (N2, O 2, H) iz rastopljenog "elika dodavanjem dezoksidanata (Mn, Si, Al), koji se za njih lako vezuju. Zavisno od koli"ine dodatih elemenata, a samim tim i izvršene apsorpcije gasova, postoje umireni i specijalno umireni "elici. Kod neumirenih "elika zarobljeni gasovi stvaraju mehuri#e nakon hla!enja "elika, oko kojih se mogu koncentrisati štetne primese kao što su sumpor i fosfor, što za posledicu ima malu otpornost prema krtom lomu koja postaje dominantna ve# i na temperaturama odmah ispod 0 °C. Mehuri #i azota nepovoljno uti"u i na starenje "elika. Poboljšanje upotrebnih osobina "elika može se ostvariti: − usavršavanjem tehnologije proizvodnje "elika,


− − − −

83

legiranjem podesnim hemijskim elementima, toplotnom obradom, kombinacijom legiranja i toplotne obrade i hladnim oblikovanjem. Neki od elemenata javljaju se kao redovni pratioci "elika i mogu da imaju bitan uticaj na svojstva "elika. Ukoliko ovi elementi imaju štetan uticaj, procesom proizvodnje se moraju zadržati u odre!enim granicama. Prate#i elementi su ne"isto#e koje poti"u od procesa izrade (ruda, stari "elik, koks, dodaci, vazduh, voda) i koji su zaostali u "eliku, naro"ito Si, Mn, S, P, N, O i H. Silicijum i mangan ispunjavaju odre !ene zadatke (legiranje) i ponekad se tokom topljenja dodaju kao ferosilicijum ili feromangan, pa se zbog toga "eš#e ubrajaju u legiraju#e elemente. Ostali navedeni elementi su u manjoj ili ve #oj meri nepoželjni, jer njihovim prisustvom nastaju štetni uticaji. Sumpor se sa gvož!em sjedinjuje u sulfid gvož!a koji se topi na nižoj temperaturi (985 °C) sa izraženom tendencijom segregacije što se odražava na smanjenje žilavosti i uzro"nik je crvenog loma. Fosfor ima još više izraženu tendenciju ka segregaciji, usled "ega dolazi do smanjenja žilavosti i pojave krupnozrne strukture. Može se smatrati da je fosfor nepoželjan prate#i element u "eliku i njegov sadržaj ne treba da prelazi 0,05%. Azot dovodi do stvaranja tvrdih nitrita koji podižu tvrdo#u "eliku, ali sa velikom opasnoš#u od krtog loma i ubrzanog starenja. Kiseonik dovodi do stvaranja razli"itih oksida što se odražava na smanjenje žilavosti i pove#anje opasnosti od krtog loma. Prva primena "elika poboljšanih legiranjem u gra!evinarstvu datira iz %870. godine. U savremenoj crnoj metalurgiji najviše je u primeni legiranje kombinovano sa toplotnom obradom. Naj"eš#e primenjivani konstrukcioni "elici su nelegirani ugljeni"ni "elici normalne "vrsto#e i široko se primenjuju u gra!evinarstvu, brodogradnji i mašinstvu. Ovi "elici se proizvode više od %00 godina i još uvek predstavljaju glavnu vrstu "elika za izradu nose#ih "eli"nih konstrukcija. Legirani "elici se dele prema procentualnom u"eš#u pojedinih legiraju#ih elemenata na: − niskolegirane, kod kojih je sadržaj legiraju#ih elemenata do 2,5%, − srednjelegirane, kod kojih je sadržaj legiraju#ih elemenata od 2,5 do %0% i − visokolegirane, kod kojih je sadržaj legiraju#ih elemenata ve#i do %0%. Naj"eš#i legiraju#i elementi koji se (namerno) dodaju "eliku su: mangan (Mn), silici jum (Si), hrom (Cr), nikal (Ni), vanadijum (V), molibden (Mo), volfram (W), titanijum (Ti) i aluminijum (Al). Postoji i niz drugih elemenata koji se mogu dodavati i koji poboljšavaju svojstva "elika, ali njihov uticaj ne#e ovde biti posebno analiziran. Fosfor i sumpor naj"eš#e se tretiraju kao ne"isto#e koje štetno uti"u na svojstva "elika, ali se u nekim slu"ajevima dodaju da bi se iskoristio njihov pozitivan uticaj na mehani"ku obradljivost "elika. Pojedini legiraju#i elementi se znatno razlikuju po svom uticaju na svojstva "elika. Uticaj legiraju#ih elemenata na svojstva "elika pregledno je prikazan u tabeli %.2. Mangan se upotrebljava za dezoksidaciju i desulfatizaciju u procesu izrade "elika u "eli"anama pa je prisutan u manjim koli"inama u svakom "eliku. Do sadržaja 0,8% smatra se kao primesa koja ostaje nakon dezoksidacije. Iznad 0,8% mangan se tretira kao legiraju #i element za poboljšanje kaljivosti, povišenje mehani"kih svojstava i postizanje posebnih svojstava "elika. U ve#im koli"inama (4-5%) managan se dodaje "elicima posebnih fizi"kih i hemijskih svojstava. Tako!e se, umesto nikla koji je veoma skup, "esto dodaje i ner!aju#im "elicima.

84


Silicijum poseduje veliki hemijski afinitet prema kiseoniku i upotrebljava se kao dezoksidant, te se posle dezoksidacije uvek nalazi u "eliku izme!u 0,2 i 0,3%. Iznad 0,6% silici jum se smatra legiraju#im elementom za poboljašnje mehani"kih i nekih fizi"ko hemijskih svojstava "elika. Silicijum smanjuje kriti"nu brzinu hla!enja, a pove#ava prokaljivost "elika. Dodatak od %,0 do %,5% silicijuma "elicima za poboljšanje sa 0,4-0,6% ugljenika pove#ava granicu plasti"nosti i smanjuje osetljivost "elika na zamor. Silicijum je u odnosu na ostale legiraju#e elemente veoma jeftin. Nikal je skup element, te se legiranje niklom koristi samo u slu"ajevima kada se legiranjem nekim drugim elementom ne mogu posti#i traženi efekti legiranja. Povoljno uti"e na mehani"ka svojstva perlitnih "elika tako što smanjuje krtost "elika na niskim temperaturama, pa je žilavost "elika sa dodatkom nikla na sobnoj temperaturi 25% ve #a od žilavosti obi"nog, ugljeni"nog "elika. Pri niskim temperaturama ova razlika se pove#ava, pa je žilavost "elika legiranog niklom 2 do 3 puta ve#a od one kod ugljeni"nih "elika. Nikal se uglavnom dodaje niskougljeni"nim "elicima sa sadržajem ugljenika do 0,5%. On predstavlja jedan od najvažnijih legiraju#ih elemenata za postizanje posebnih fizi"ko-hemijskih svojstava "elika (ner !aju#i, vatrootporni, nemagnetni "elici). Tabela 1.2 - Uticaj legiraju " ih elemenata na karakteristike ! elika

e t j s n ž o v u l a d i z $ I Ž

a n t s r z o t v s i j a l a r o K P

a j n e t a ! s a v o l t n s h r j a o o n p v t i s z o r a b a k n t s a t " i n s e " r n i o t n g v k i a t e r o l M K K E

++

+

a o t s r v #

Ugljenik Mangan Silicijum Aluminijum Nikal Hrom Molibden Vanadijum Volfram Kobalt Bakar Sumpor Fosfor Titan Tantal Legenda:

=

=

++ ++

− ++ −

+

++

++

+

++ ++

+

=

+

−

− − −

a d i e j b " r a u r k 3 d C e A o p j n a a a r k " m a v a a t T G S

+

++

r o m a z a n t s a o # n r o o d p r t v O T +

a j i c a g e r g e S

t s u m o j v i i z o j n l o d r e a o v r r k c b a u o n t a t s s o k " o i v i n n r j a o l h m p t o e O L M

++

−

+

+

+

+

− ++ +

+

+

+

+

− −

+

+

+

+

− ++ − + −

++

−

−

=

++

−

+

+

+

+

+

+

=

+

+

+

+

+

+

− + ++ + − ++ ++ + − + + +

+

+

− − − −

+

+

+

+

+

+

+

+

+

−

+

− −

+

=

−

+

+ =

+

−

+

−

+ + +

− −

++

+

+

+

+

−

+

+

+

−

+

+

+

−

++ Jako pove#ava

+

+

++ +

+ + +

− − ++ − ++

+ Pove#ava − Smanjuje = Jako smanjuje

+ + +

++

++ ++ +


85

Hrom je jak karbidotvoran element. Sa ugljenikom se spaja u karbide koji su tvr !i i postojaniji od cementita. U perlitnim "elicima sa niskim sadržajem hroma (do 3%), hrom delimi"no zamenjuje gvož!e. Hrom se dodaje "eliku da bi mu poboljšao mehani"ka svojstva i da bi se postigla posebna fizi"ko-hemijska svojstva (magnetni, ner !aju#i, vatrootporni hromovi "elici). Aluminijum se gotovo redovno upotrebljava kao dezoksidant u procesu proizvodnje "elika. Dodatak aluminijuma ugljeni"nom "eliku od 0,%-0,2% smanjuje prokaljivost i pove#ava krtost "elika, te se prema tome aluminijum kao legiraju#i element za poboljšanje mehani"kih svojstava "elika ne upotrebljava. Za nose#e konstrukcije se u manjem obimu primenjuju niskolegirani i mikrolegirani "elici. Mikrolegirani "elici su sitnozrne strukture i koriste se za izradu nose#ih konstrukci ja kod kojih se pored ostalih osobina zahteva i mala masa. Imaju niz dobrih osobina kao što su: velika homogenost hemijskog sastava, sitnozrna struktura, otpornost prema starenju, homogenost fizi"kih osobina u pravcu i upravno na pravac valjanja, visoku žilavost, otpornost prema krtom lomu pri niskim temperaturama i dobru zavarljivost. Veliki deo ovih povoljnih osobina obezbe!uje njihova sitnozrna struktura, dobijena dodavanjem legiraju#ih elemenata (Al, Nb, V, Mo, Ti, Zn) u minimalnim koli"inama (nekoliko stotih delova jednog procenta), pa odatle i poti"e njihov naziv. Ispitivanja mehani"kih svojstava i sva njihova dosadašnja razmatranja odnosila su se na slu"aj uobi"ajenih temperatura spoljašnje sredine. Sa porastom temperature dolazi do promene kristalne strukture metala. S obzirom da, kao što je to ve# istaknuto, mehani"ka svojstva spadaju u grupu strukturno osetljivih svojstava, ona #e trpeti znatne promene sa promenom temperature. Ispitivanja su, naime, pokazala da kratkotrajno dejstvo visoke temperature nema prakti"no nikakvog uticaja na promenu mehani"kih svojstava.

5.2 KONSTRUKCIONI !ELICI ZA OPŠTU UPOTREBU Konstrukcioni "elici za opštu upotrebu su nelegirani ugljeni"ni "elici normalne "vrsto#e, a njihov hemijski sastav, mehani"ke i tehnološke osobine propisane su nacionalnim standardom JUS C.B0.500 iz %988. godine. Ovim standardom se utvr !uju tehni"ki uslovi za izradu i isporuku žice, šipkastog, pljosnatog, širokopljosnatog "elika, limova, profila, okruglih, kvadratnih i pravougaonih šupljih profila i ostalih poluproizvoda koji se isporu"uju u vru#e oblikovanom ili normalizovanom stanju. Ovaj standard se odnosi na proizvode od "elika koji se primenjuju za izradu zavarenih konstrukcija, konstrukcija spojenih zavrtnjevima i zakvcima u visokogradnji, niskogradnji, mostogradnji, hidrogradnji i mašinogradnji. $elici po ovom standardu nisu predvi!eni za termi"ku obradu, osim za normalizaciju i žarenje u cilju uklanjanja unutrašnjih naprezanja. Opšti konstrukcioni "elik je "elik "ije su osnovne karakteristike granica razvla"enja i "vrsto#e na zatezanje utvr !ene na sobnoj temperaturi. Vrste "elika koje obuhvata ovaj standard i njihov hemijski sastav definisani su u tabeli %.3, a mehani"ke i tehnološke osobine u tabeli %.4. Za proizvode debljina manje od 5 mm izra!ene od "elika $0362, $0363, $0452, $0453, $0562 i $0563 utrošena energija udara se ne ispituje, ve# se podrazumeva da je "elik otporan prema krtom lomu ako sadrži dovoljnu koli"inu nekog hemijskog elementa koji vezuje azot, na primer ukupne koli"ine aluminijuma više od 0,02%

86


Tabela 1.3 - Vrste opštih konstrukcionih ! elika i njihov hemijski sastav a a k t i s r l e V "

%)

2) 3) 4) 5) 6) 7)

e j i c a n i d " i a s N k o z e d

Hemijski sastav šarže u % mase (najviše) C Dodatak za debljinu proizvoda u mm %) P S N elemenata za >%6 >30 >40 vezivanje N2) >%00 ≤ %6 ≤ 30 ≤ 40 ≤ %00

$0%30

slobodno

−

−

−

−

$0370

slobodno

0,%7

0,20

0,20

0,20

0,050 0,050 0,009

$037%

neumiren

0,%7

0,20

0,20

0,20

0,050 0,050 0,007

$036%6)

umiren

0,%7

0,20

0,20

0,20

0,050 0,050 0,009

− − − −

$03626)

specijalno umiren

0,%7

0,%7

0,%7

0,20

0,050 0,050 0,009

−

$03636)

specijalno umiren

0,%7

0,%7

0,%7

0,%7

$045%6)

umiren

0,22

0,22

0,24

0,24

$04526)

specijalno umiren

0,2%

0,2%

0,2%

0,22

$04536)

specijalno umiren

0,20

0,20

0,20

0,20

o n − a 0,040 0,040 v o z i 0,050 0,050 0,009 d r a d n − a 0,045 0,045 t s e j i N 0,040 0,040 −

$056%3)6)

umiren

0,22

0,22

0,23

0,23

0,050 0,050 0,009

$05623)6)

specijalno 0,204) 0,204) umiren

0,22

0,22

0,045 0,045

−

da

$05633)6)

specijalno 0,204) 0,204) umiren

0,22

0,22

0,040 0,040

−

da

−5) −5) −5)

−5) −5) −5)

$0545

umiren

$0645

umiren

$0745

umiren

−5) −5) −5)

−5) −5) −5)

−

− − −

−

−

−

0,050 0,050 0,009 0,050 0,050 0,009 0,050 0,050 0,009

da

− da da

−

− − −

Sadržaj azota može biti ve#i pod uslovom da za svako pove#anje od 0,00%%N sadržaj fosfora bude niži za 0,005% od dozvoljenog. U tom slu"aju najve#i sadržaj azota u analizi šarže ne sme da pre!e 0,0%2%, a u analizi proizvoda 0,0%4% Kada se za vezivanje azota koristi Al, "elik treba da sadrži najmanje 0,020%Al. U analizi šarže dozvoljen sadržaj Si je najvi#e 0,55%, a Mn %,60%, a u analizi proizvoda 0,60%Si i %,70%Mn. $elik može da sadrži najviše 0,22%C kada je namenjen za hladno oblikovanje valjanjem ili izradu zavarenih cevi. Kada je "elik namenjen za dalju preradu vu"enjem, sadržaj ugljenika je približno 0,30% za $0545.V, 0,40% za $0645.V i 0,50% za $0745.V $elik može da bude izra!en i sa sadržajem bakra od 0,25% do 0,35%. U tom slu"aju se posebno obeležava. $elik može da sadrži najviše 0,24%C kada je namenjen za hladno oblikovanje valjanjem ili izradu zavarenih cevi.

87


Tabela 1.4 - Mehani !k e i tehnološke osobine opštih konstrukcionih ! elika

Vrsta "elika

f u1) f y1) δ za debljinu !o=80 mm, !o=5d o za debljinu proizvoda u proizvoda u [mm] za debljinu proizvoda u [mm] [mm] 3 > < %6 40 63 80 > Položaj 0,5 %,0 %,5 2,0 2,5 3,0 40 63 < od do od od do do do do od uzorka do do do do do do do do 3) 3 %00 %00 %6 40 63 80 %00 %00 %,0 %,5 2,0 2,5 3,0 40 63 %00 [%] [ N/mm2] 2 [ N/mm ] najmanje najmanje

$0%30

3%0 290 do do − %85 %75 − 2) 545 5%0

− %2 %6 −

− −

U P

%0 %% %2 %3 %4 %6

U P

%7 %8 %9

U P

%4 %5 %6 %7 %8

U P

%4 %5 %6 %7 %8

295 285 275 265 255

U P

%2 %3 %4 %5 %6

335 325 3%5 305 295

U P

8 6

9 7

%0 %% %2 %6 %5 %4

8

9

%0 %4 %3 %2

365 355 345 335 325

U P

4 3

5 4

6 5

7 6

8 7

−

−

−

8

9

%0 %%

> od %00

− −

$0370 $037% $036% $0362

360 340 do do 5%0 470

%35

430 4%0 do do 580 540

275 265 255 235 225

5%0 490 do do 680 630

355 345 335 3%5 305

$0363 $045% $0452 $0453 $056% $0562 $0563 $0545

$0645

$0745

490 do 660 590 do 770 690 do 900

470 do 6%0 570 do 7%0 670 do 830

225 2%5 205 %95

20 2% 26 25 24 %5 %6 %7 %8 %9 24 23 22

235 225 2%5 2%5 2%5

275 265 255 245 235

355 345 335 325 3%5

22 2% 20 %2 %3 %4 %5 %6 20 %9 %8 22 2% 20 %2 %3 %4 %5 %6 20 %9 %8 20 %9 %8 %0 %% %2 %3 %4 %8 %7 %6

%% %0 %0

9

9 8

%)

Utvr !ene vrednosti za f u i f y odnose se na uzdužne uzorke, izuzev kod pljosnatih proizvoda širine %600 mm, kod kojih se odnose na popre"ne uzorke. 2) Odnose se samo na debljinu do 25 mm. 3) Položaj uzorka: U − uzdužni, P − popre"ni. Oznake: f u − zatezna "vrsto#a, f y − gornja granica razvla"enja, δ − izduženje pri lomu.

5.3 OSTALE VRSTE !ELIKA Osim opštih konstrukcionih "elika za nose#e konstrukcije u gra!evinarstvu, upotrebljavaju se i druge vrste "elika, od kojih #e biti istaknute samo najzna"ajnije. $elici za poboljšanje upotrebljavaju se za izradu konstrukcionih delova koji su za vreme rada izloženi velikim i složenim naprezanjima. Poboljšanje je termi"ki postupak, koji se sastoji u tome da

88


se "elik, ve#inom poluobra!en ili potpuno obra!en, kali i neposredno posle kaljenja ponovo lagano zagreje na temperaturu preko 530 °C (u zavisnosti od vrste "elika) i zatim polako ili brzo ohladi. Naro"ito je važno ista#i da poboljšani "elici imaju visoku granicu razvla"enja i dobru "vrsto#u i žilavost. To povoljno uti"e na otpornost na zamor, pa su ovakvi "elici otporni na dinami"ka naprezanja. $elici za poboljšanje izra!uju se kao nelegirani i legirani "elici. Hemijski sastav "elika za poboljšanje dat je u tabeli %.5, a mehani"ka svojstva u tabeli %.6. Tabela 1.5 - Hemijski sastav ! elika za poboljšanje Vrsta "elika

C !%"

Si !%"

Mn !%"

P (max) S (max) !%" !%"

Cr !%"

Mo !%"

Ni !%"

V !%"

$%330

0,%8-0,25 0,%5-0,35 0,30-0,60

0,045

0,045

$

$

$

$

$%430

0,32-0,39 0,%5-0,35 0,50-0,80

0,045

0,045

$

$

$

$

$%530

0,42-0,50 0,%5-0,35 0,50-0,80

0,045

0,045

$

$

$

$

$%534

0,43-0,49 0,%5-0,35 0,50-0,80

0,025

0,035

$

$

$

$

$%630

0,52-0,60 0,%5-0,35 0,60-0,90

0,045

0,045

$

$

$

$

$%633

0,50-0,57 0,%5-0,35 0,40-0,70

0,025

0,035

$

$

$

$

$%730

0,57-0,65 0,%5-0,35 0,60-0,90

0,045

0,045

$

$

$

$

$%33%

0,%8-0,25 0,%5-0,35 0,30-0,60

0,035

0,035

$

$

$

$

$%43%

0,32-0,39 0,%5-0,35 0,50-0,80

0,035

0,035

$

$

$

$

$%53%

0,42-0,50 0,%5-0,35 0,50-0,80

0,035

0,035

$

$

$

$

$%63%

0,52-0,60 0,%5-0,35 0,60-0,90

0,035

0,035

$

$

$

$

$%73%

0,57-0,65 0,%5-0,35 0,60-0,90

0,035

0,035

$

$

$

$

$3%30

0,36-0,44 0,25-0,50 0,80-%,%0

0,035

0,035

$

$

$

$

$3%35

0,25-0,32 0,%5-0,40 %,30-%,65

0,035

0,035

$

$

$

$

$4%30

0,30-0,37 0,%5-0,40 0,60-0,90

0,035

0,035

0,90-%,20

$

$

$

$4%3%

0,38-0,45 0,%5-0,40 0,50-0,80

0,035

0,035

0,90-%,20

$

$

$

$4%32

0,34-0,4% 0,%5-0,40 0,50-0,80

0,035

0,035

0,40-0,60

$

$

$

$4%33

0,42-0,50 0,%5-0,40 0,50-0,80

0,035

0,035

0,40-0,60

$

$

$

$4%34

0,34-0,4% 0,%5-0,40 0,60-0,90

0,035

0,035

0,90-%,20

$

$

$

$4730

0,22-0,29 0,%5-0,40 0,50-0,80

0,035

0,035

0,90-%,20 0,%5-0,30

$

$

$473%

0,30-0,37 0,%5-0,40 0,50-0,80

0,035

0,035

0,90-%,20 0,%5-0,30

$

$

$4732

0,38-0,45 0,%5-0,40 0,50-0,80

0,035

0,035

0,90-%,20 0,%5-0,30

$

$

$4733

0,46-0,54 0,%5-0,40 0,50-0,80

0,035

0,035

0,90-%,20 0,%5-0,30

$

$

$4734

0,26-0,34 0,%5-0,40 0,40-0,70

0,035

0,035

2,30-2,70 0,%5-0,25

$

0,%0-0,20

$4738

0,28-0,35 0,%5-0,40 0,40-0,70

0,035

0,035

2,80-3,30 0,%5-0,30 &0,30

$4830

0,47-0,55 0,%5-0,40 0,70-%,%0

0,035

0,035

0,90-%,20

$

$

$

0,%0-0,20

89


Tabela 1.6 - Mehani !k e karakteristike ! elika za poboljšanje Vrsta "elika $%330 $%33%

Pre"nik !mm"

f 0,2

f u

δ 5

! N/mm2"

! N/mm2"

!%"

%6-40

235

4%0-520

27

%6-%00

275

490-640

2%%6-%00

%6-%00

335

590-740

%7

%6-%00

365

660-830

%5

%6-%00

340

6%0-760

%6

%6-%00

380

690-890

%4

$%430 $%43% $%480 $%530 $%53% $%580 $%630 $%63% $%680 $%633 $%730 $%73% $%780

Za proizvodnju "eli"nih šupljih profila bez šava koriste se posebne vrste "elika, prema JUS-u C.B5.02% i C.B5.022. Hemijski sastav ovih "elika dat je u tabeli %.7 a mehani"ke karakteristike u tabeli %.8. Tabela 1.7 - Hemijski sastav ! elika za izradu bešavnih šupljih profila

$%2%2

C &0,%7

Si 0,%0-0,35

Hemijski sastav%) !'" Mn Cr Mo $ $ %0,40

$%2%3

&0,22

0,%0-0,35

%0,40

$

$%2%4

&0,%7

0,%0-0,35

%0,40

$%2%5

&0,22

0,%0-0,35

$%402

&0,36

$%502 $3%00

Vrsta "elika

S (max) 0,05

$

0,05

0,05

$

$

0,05

0,05

%0,45

$

$

0,05

0,05

0,%0-0,35

%0,40

$

$

0,05

0,05

(0,45

0,%0-0,35

%0,40

$

$

0,05

0,05

&0,22

0,%0-0,55

&%,50

$

$

0,05

0,05

$

$7%00

0,%2-0,20 0,%5-0,35 0,50-0,80

0,25-0,35

0,04

0,04

$7400

0,%0-0,%8 0,%5-0,35 0,40-0,70 0,70-%,00 0,40-0,50

0,04

0,04

0,%5-0,50 0,40-0,60 2,00-2,50 0,90-%,%0

0,04

0,04

$740% %)

P (max) 0,05

&0,%5

Navedene vrednosti odnose se na analizu šarže. Kod gotovih cevi se pri analizi dozvoljavaju manja odstupanja, ukoliko nemaju uticaja na upotrebljivost cevi.

90


Tabela 1.8 - Mehani !k e karakteristike ! elika za izradu bešavnih šupljih profila Vrsta "elika

f u ! N/mm2"

f y(min) ! N/mm2"

!%"

$%2%2

340-440 440-540 540-640 640-740 5%0-6%0

235 255 295 390 355

25 2% %7 %2 22

$%2%3 $%402 $%502 $3%00

δ 5

Za proizvodnju hladno oblikovanih profila koriste se "elici za hladno valjane limove i trake, prema JUS-u C.B4.0%6, "iji je hemijski sastav definisan tabelom %.9, a mehani"ke karakteristike tabelom %.%0. Tabela 1.9 - Hemijski sastav ! elika za hladno valjane limove i trake Na"in dezoksidacije

Vrsta "elika $0%45

C (max) 0,%5 0,%2

Neumiren Neumiren Neumiren Spec. umiren Neumiren Spec. umiren

$0%46 $0%47 $0%48

Hemijski sastav !%" Mn (max) P (max) S (max) Al (min) $ 0,60 0,05 0,05 $ 0,50 0,04 0,04

0,%0

0,45

0,03

0,03

0,08

0,45

0,03

0,03

$

0,02 $

0,02

Tabela 1.10 - Mehani ! ke karakteristike ! elika za hladno valjane limove i trake Mehani"ka svojstva Vrsta "elika

f u

f y

δ

Tvrdo#a

! N/mm2"

! N/mm2"

!%"

HRB HR30T (max) (max)

$0%45

280-500

$

$

$

$0%46

280-4%0

280

28

$0%47

280-380

250

$0%48

280-360

220

Tehnološka svojstva Savijanje pre"nik trna za debljinu lima t <3

%3

$

0

t

65

60

$

$

32

57

55

$

$

36

50

50

$

$

Namena

Za opštu upotrebu Za izvla"enje Za duboko izvla"enje Za veoma duboko izvla"enje

9%


Nastojanja da se hemijskim sastavom poboljšaju upotrebna svojstva "elika, a posebno koroziona otpornost, doveli su do pojave posebne vrste niskolegiranih "elika poznatijih kao "elici pove#ane korozione otpornosti - COR-TEN "elici. Proces korozije na "elicima pove#ane korozione otpornosti obavlja se u po"etnom periodu od 2 do 3 godine obrazovanjem kompaktnog površinskog sloja r !e, koji spre"ava dalju koroziju "eli"nog materijala. Poslednjih godina u prvi plan su izbili i ner !aju#i "elici koji su otporni prema uticaju atmosfere, vode, pare, soli i kiselina, sa sjajnom metalnom spoljašnjom površinom, poznati kod nas kao INOX "elici. Postoje i mnoge druge vrste "elika o kojima ovde ne#e biti re"i, jer je njihova upotreba u nose#im "eli"nim konstrukcijama skromna.

5.4 OZNA!AVANJE !ELIKA 5.4.1 Opšte Standardom JUS C.B0.002 iz %986. godine definisan je sistem ozna"avanja "elika. Standardom su utvr !ena i osnovna pravila za dopunsko ozna"avanje i dopunske oznake koje se koriste za "elike razli"ite namene. Oznaka vrste "elika sastoji se iz najviše "etiri dela (slika %.%00).

Slika 1.100 - Ozna! avanje vrste ! elika

Osnovna oznaka se sastoji od arapskih brojeva koji ozna"avaju osobine "elika ili pri padnost "elika nekoj grupi, tako da je prema ovom standardu osnovna oznaka data za "elike: − sa utvr !enim mehani"kim osobinama i − sa utvr !enim hemijskim sastavom i mehani"kim osobinama. Osnovna oznaka se od dopunske oznake za namenu, odnosno stanje "elika, razdvaja ta"kom. Dopunska oznaka se od ostalih dopunskih oznaka razdvaja crticom, ako odgovaraju#im jugoslovenskim standardom nije druga"ije utvr !eno. Dopunske oznake ozna"ava ju stanje "elika, npr. žareno, normalizovano itd.

92


5.4.2 !elici sa utvr$enim mehani#kim osobinama Ovoj grupi pripadaju ugljeni"ni "elici sa utvr !enim mehani"kim osobinama i delimi"no utvr !enim ili neutvr !enim hemijskim sastavom. Za ovu grupu "elika simbol na prvom mestu osnovne oznake je broj 0, koji ozna"ava pripadnost "elika grupi sa utvr !enim mehani"kim osobinama. Simbol na drugom mestu osnovne oznake po pravilu ozna"ava nazivnu, odnosno minimalnu "vrsto#u na zatezanje, koja je utvr !ena za "elik u vru#e oblikovanom ili normalizovanom stanju. Zna"enje simbola na drugom mestu prikazano je u tabeli %.%%. Tabela 1.11 - Broj !a ni simbol na drugom mestu osnovne oznake za ugljeni ! ne ! elike sa utvr # enim mehani ! kim osobinama Simbol f u

0

%

nije &320 ! N/mm2" utvr !ena

2

3

4

5

6

7

8

9

330-350 360-380 390-480 490-580 590-680 690-780 790-880 %890

Simboli na tre#em, "etvrtom i petom mestu ozna"avaju pripadnost "elika odre!enoj podgrupi, a njihovo zna"enje prikazano je u tabeli %.%2. Tabela 1.12 - Broj !a ni simbol na tre " em, ! etvrtom i petom mestu za ! elike sa utvr # enim mehani !k im osobinama Simbol%)2) 00 do 44 %0% do 449 45 do 79 45% do 799 80 do 99 80% do 999

Podgrupa "elika Podgrupa ugljeni"nih "elika bez utvr !enog sadržaja P i S Slobodno Podgrupa "elika sa ograni"enim sadržajem S i P. Za "elike iz ove podgrupe delimi"no se ograni"ava sadržaj osnovnih hemijskih elemenata (C, Si i Mn) Podgrupa "elika sa ograni"enim sadržajem S i P, delimi "no utvr !enim sadržajem osnovnih hemijskih elemenata (C, Si i Mn) i sa dodatkom legiraju#ih elemenata koji se dodaju "eliku u cilju postizanja specijalnih mehani"kih osobina

%)

Na petom mestu se ne koristi broj 0. 2) Simbol na tre#em "etvrtom i petom mestu 80 do 89, upotrebljavan do %985. godine, ne odgovara podgrupi "elika, ali zadržava staru oznaku .

5.4.3 !elici sa utvr$enim hemijskim sastavom i mehani #kim osobinama Ovoj grupi pripadaju ugljeni"ni "elici sa utvr !enim hemijskim sastavom i mehani"kim osobinama i legirani "elici. Simbol na prvom mestu osnovne oznake ozna"ava najuticajniji hemijski element i to: − za ugljeni"ne "elike sa utvr !enim sastavom, to je broj %, a − za legirane "elike, u zavisnosti od uticaja legiraju#ih elemenata, koriste se simboli dati u tabeli %.%3, izuzev broja %.

93


Tabela 1.13 - Broj !a ni simbol za najuticajnije hemijske elemente Simbol Legiraju#i element

%

2

3

4

5

6

7

8

9

C

Si

Mn

Cr

Ni

W

Mo

V

ostali

Najuticajnijim legiraju#im elementom prema ovom standardu smatra se onaj koji ima broj"ano najve#i proizvod dobijen množenjem srednjeg procentualnog sadržaja u "eliku tog elementa i faktora uticajnosti. Simbol na drugom mestu osnovne oznake ozna"ava kod ugljeni"nih "elika sa utvr !enim sastavom desetostruku vrednost maksimalnog procenta sadržaja ugljenika, zaokruženog na desetine. Ako "elik sadrži 0,90% ugljenika ili više broj"ani simbol na drugom mestu je uvek 9. Broj"ani simbol na tre#em, "etvrtom i eventualno petom mestu ozna"ava podgrupe "elika po nameni (npr. "elici za poboljšanje, za alate, vatrootporni itd.).

6 VRSTE !ELI!NIH PROIZVODA I NJIHOVA PRIMENA 6.1 VRU&E VALJANI PROIZVODI Vru#e valjani proizvodi predstavljaju kategoriju najviše zastupljenih proizvoda u nose#im konstrukcijama u gra!evinarstvu. Oni mogu da se grupišu u "etiri osnovne familije proizvoda, a to su: štapovi, limovi, profilisani nosa"i i šuplji profili.

6.1.1 Štapovi Štapovi ili štapasti "elik se proizvodi u vidu: pljošteg "elika, širokog (univerzalnog) pljošteg "elika, ugaonika, T i Z-profila, malih I i U-profila visine do 80 mm, okruglog, kvadratnog i šestougaonog "elika. Ovi proizvodi su prikazani u tabeli %.%4. Sve dimenzije su date u milimetrima, koji su osnovna merna jedinica za izradu metalnih konstrukcija. Pljošti "elik se valja u debljinama od 5 do 60 mm i širinama od %0 do %50 mm, normalnih dužina od 3 do %5 m. Univerzalni ili široki pljošti "elik je pravougaonog preseka, valjan sa "etiri valjka, dva horizontalna i dva vertikalna. Na taj na"in je samo podužno izvla"en pa je slabije otpornosti upravno na pravac valjanja. Valja se u debljinama od 5 do 60 mm, širinama od %5% mm do %250 mm i dužinama od 3 do %2 m. Široki pljošti "elik se uglavnom koristi za izradu pojasnih lamela (nožica) zavarenih I-profila. Okrugli "elik se valja u pre"nicima od %0 do %50 mm. Sli"no je i za kvadratni, odnosno šestougaoni "elik. Ugaonici se dobijaju valjanjem izme!u kalibrisanih valjaka. Kraci ugaonika su pod pravim uglom i mogu biti istih ili razli"itih dužina, pa se razlikuju ravnokraki i raznokraki ugaonici. Kada su kraci razli"iti, odnos njihovih dužina je %:%,5 ili %:2. Svaka vrsta ugaonika izra!uje se u 3 ili 4 debljine. Polupre"nik zaobljenja r jednak je srednjoj debljini ugaonika koji se valjaju za tu širinu kraka. T-profili se valjaju sa visokim rebrom ili širokom nožicom. Proizvodne dimenzije su date u tabeli %.%4. U grupu štapastih proizvoda spadaju i Z-profili koji se danas skoro i ne upotrebljavaju u nose#im konstrukcijama.

94


i proizvodi Tabela 1.14 - Štapasti vru " e valjani ! eli !n

Jednakokraki ugaonici

Raznokraki ugaonici

T- profili

Z- profili

Pljošti "elik

Široki pljošti "elik

Okrugli "elik

Kvadratni "elik

95


6.1.2 Limovi Limovi se valjaju izme!u ravnih valjaka na takav na"in da se obra!uju u oba pravca i nemaju ravne ivice, pa se kasnije moraju obrezivati. Po debljini se razlikuju: − fini limovi, debljine do 3 mm, − srednji limovi, debljne od 3 do 4,75 mm i − grubi limovi, debljine preko 4,75 mm. Po obradi površine mogu biti glatki, rebrasti, bradavi"asti i perforirani. Ravni limovi se valjaju do 4,6 m širine, %0 m dužine i debljine 60 mm pa i više. U "eli"nim konstrukcijama se uglavnom koriste limovi debljine od 6 do 50 mm. Rebrasti limovi se dobijaju propuštanjem ravnih limova kroz valjke posebnih profilaci ja. U zavisnosti od tipa profilacije razlikuje se: − rebrasti lim sa rebrima u obliku romba, "iji su izgled i dimenzije prikazani u tabeli %.%5, − rebrasti lim sa rebrima u obliku suze, "iji su izgled i dimenzije prikazani u tabeli %.%6. Tabela 1.15 - Rebrasti lim u obliku romba

Širina lima !mm"

Debljina osnove d !mm"

Visina rebra s !mm"

min

max

2,5

%,0

800

3,0

%,0

4,0

a

Dozvoljena odstupanja !mm"

Masa !kg/m2"

d

s

%250

)0,3

$0,2 +0,5

24,0

800

%250

)0,3

$0,2 +0,5

28,0

%,0

800

%350

)0,4

$0,2 +0,5

36,0

5,0

%,0

%000

%400

)0,5

$0,2 +0,5

44,0

6,0

%,0

%000

%400

)0,5

$0,2 +0,5

52,0

7,0

%,2

%000

%400

)0,5

$0,2 +0,5

60,8

8,0

%,2

%000

%400

)0,5

$0,2 +0,5

68,8

9,0

%,5

%000

%400

)0,5

$0,2 +0,5

76,8

%0,0

%,5

%000

%400

)0,5

$0,2 +0,5

84,8

96


Tabela 1.16 - Rebrasti lim u obliku suze

Debljina osnove d !mm"

Visina rebra s !mm"

2,5 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 %0,0

%,5 %,5

2,0 2,0 2,0 2,5 2,5 2,5 2,5

Širina lima !mm" a

Dozvoljena odstupanja !mm" d

s

%250

)0,3

$0,3 +0,5

%250

)0,3

$0,3 +0,5

%350

)0,4

$0,3 +0,5

%400

)0,5

$0,3 +0,5

%400

)0,5

$0,3 +0,5

%400

)0,5

$0,3 +0,5

%400

)0,5

$0,3 +0,5

%400

)0,5

$0,3 +0,5

%400

)0,5

$0,3 +0,5

min

max

800 800 800 %000 %000 %000 %000 %000 %000

Masa !kg/m2" 24,0 28,0 36,0 44,0 52,0 60,8 68,8 76,8 84,8

6.1.3 Profilisani nosa#i Profilisani nosa"i se valjaju u dva osnovna oblika, kao I i U-profili. I-profili su osnovni konstrukcioni element za izradu grednih i okvirnih nosa"a i stubova. Asortiman profilisanih nosa"a prikazan je u tabeli %.%7. Svaka serija profila predstavljena je sa najmanjom i najve#om dimenzijom. Ovi profili se isporu"uju u dužinama od 8 do %5 m. Kod normalnih valjanih I-profila usled tehnike valjanja uslovljen je unutrašnji nagib nožica od %4%. Polupre"nik zaobljenja r jednak je debljini rebra. Ovi profili imaju usku nožicu pa je njihov moment inercije relativno mali u odnosu na površinu preseka. Potreba za ve#om krutoš#u pri savijanju dovela je do pojave I-profila sa širokim paralelnim nožicama poznatih pod nazivom IP-nosa"i. Iz ove kategorije profila najve#u primenu imaju takozvani evropski IPE-profili. Danas se valjaju iz razloga pove#anja ekonomi"nosti I-profili sa širokim paralelnim nožicama u asortimanu razli"itih debljina nožica. Razlikuje se laka serija HEA(IPB%), normalna serija HEB(IPB) i oja"ana serija HEM(IPBv). Poslednjih godina na evropskom tržištu se pojavila nova serija HD-profila koji su kreirani specijalno za stubove zgrada.

97


Tabela 1.17a - Vru " e valjani U-profili i I-profili sa uskim nožicama U-profili

U-profili sa paralelnim nožicama

I-profili

IPE-profili

Kod normalnih valjanih U-profila polupre"nik zaobljenja r je jednak debljini nožice. I kod U-profila usled tehnologije valjanja unutrašnja površina nožice je u nagibu 8%. U Evropi se proizvode i U-profili sa paralelnim nožicama. Tabela 1.17b - Vru " e valjani I-profili sa širokim nožicama HEA- profili

HEB-profili

98


Tabela 1.17b - Nastavak HEM-profili

HD- profili

6.1.4 Šuplji profili Pod pojmom šuplji profili podrazumevaju se šuplji konstrukcioni elementi "iji popre"ni presek ima oblik kružnog, kvadratnog ili pravougaonog prstena. Šuplji profili prema na"inu izrade mogu biti bešavni i šavni. Za proizvodnju šupljih profila kružnog, kvadratnog i pravougaonog preseka koriste se rondele od kojih se prvo valjaju bešavne cevi, a zatim od njih preoblikovanjem u vru#em stanju kvadratni i pravougaoni profili. Osnovne dimenzije ovih profila prikazane su u tabeli %.%8. Tabela 1.18 - Šuplji vru " e valjani profili Kružni

Kvadratni

Pravougaoni


99

6.2 HLADNO OBLIKOVANI PROIZVODI Hladno oblikovanje, odnosno valjanje, podrazumeva smanjenje debljine ili preoblikovanje savijanjem nezagrejanog materijala. Ovim postupkom se dobijaju znatno ravnije i finije površine, uz bitno pove#anje mehani"kih karakteristika. Hladno oblikovani proizvodi se dobijaju deformacijom "elika u hladnom stanju na dva na"ina: − valjanjem iz ravne trake koja prolazi kroz seriju valjaka, − previjanjem ravne trake na presi u posebnom alatu. Primenom tehnike deformisanja "elika u hladnom stanju postiže se osetno pove#anje nekih mehani"kih osobina, pre svega granice razvla"enja i "vrsto#e na zatezanje, uz smanjenje duktilnosti. Ovo pove#anje je najviše izraženo u uglovima prevoja. Primer pove#anja mehani"kih karakteristika može se sagledati na primeru jednog hladno oblikovanog U-profila na slici %.%0%.

Slika 1.101 - Pove"anje granice razvla! enja i ! vrsto"e na zatezanje pri hladnom oblikovanju U-profila

Hladno oblikovani proizvodi se izvode kao: otvoreni profili, šuplji profili, profilisani limovi i ravni limovi i trake. Ovi proizvodi se koriste za lake konstrukcije, posebno za standardizovane elemente (rožnja"e i fasadne rigle) i tipizirane hale. Njihova prednost se ogleda u maloj težini, lakom transportu i manipulaciji i velikom izboru oblika. Brojni i raznovrsni asortiman hladno oblikovanih proizvoda, "iji se oblik i dimenzije mogu optimalno prilagodi-

%00


ti stati"kim i konstruktivnim zahtevima, predstavljaju veliku prednost u odnosu na ograni"en izbor vru#e valjanih profila, "iji broj ne prelazi deset osnovnih oblika. Na slici %.%02 prikazani su osnovni hladno oblikovani proizvodi. Hladno oblikovani profili otvorenog popre"nog preseka (slika %.%02a) proizvode se u razli"itim oblicima, kao što su: U, C, L, Z, zeta, sigma, šeširasti i drugi, u velikom asortimanu dimenzija i debljina lima. Debljine limova za ove profile kre#u se u opsegu od %,5 do 6,0 mm. Hladno oblikovani šuplji profili (slika %.%02b) dobijaju se preoblikovanjem vru#e ili hladno valjane trake namotane u koturove u oblik profila i potom njegovo spajanje zavarivanjem. Preoblikovanje se vrši u hladnom stanju. Širina i debljina trake odre!uje se prema veli"ini profila koji se želi proizvesti. Hladno oblikovani šuplji profili kružnog preseka se proizvode na specijalnim mašinama u kojima se "eli"na traka postepeno pomo#u valjaka preoblikuje u kružni oblik, a zatim se ivice zavaruju. Zavarivanje se izvodi visokofrekventnim postupkom zavarivanja i u zavisnosti od na"ina dovo!enja energije može biti induktivno ili konduktivno. Kružne cevi mogu biti zavarene podužnim šavom, ili spiralno zavarene.

Slika 1.102 - Hladno oblikovani proizvodi

Za pokrivanje i oblaganje objekata proizvode se površinski hladno oblikovani proizvodi - profilisani limovi (slika %.%02c). Ovi elementi se proizvode od tankog hladno oblikovanog lima namotanog na koturove debljine od 0,6 do %,0 mm, koji može biti pocinkovan ili pocinkovan i bojen (plastificiran). Profilisani limovi se proizvode u širokom dijapazonu oblika sa mogu#noš#u dopunske profilacije nožica i/ili rebara ovih profila "ime se postiže ve#a nosivost i krutost. Hladno oblikovani limovi i trake se izra!uju hladnim valjanjem od vru#e valjanih traka i limova i posle hladne redukcije debljine namotavaju se na kalemove ili seku u table.

6.3 OSTALI PROIZVODI U grupi ostalih proizvoda bi#e prikazani oni koji ne spadaju u prethodne kategorije, a zna"ajni su u svakodnevnom projektovanju "eli"nih konstrukcija. Ovde se prvenstveno

%0 %


misli na: automatski zavarene nosa"e, sa#aste profile, užad i kablove, istegnuti metal i rešetkasta gazišta (rost).

Slika 1.103 - Automatski zavareni profili

Automatski zavareni profili uglavnom se proizvode kao I ili sandu"asti preseci (slika %.%03) na automatskim ili poluautomatskim linijama za zavarivanje. Proizvode se od limova razli"ite debljine i dimenzija, tako da se mogu posti#i optimizirani profili sa najve#im odnosom I / A i W / A, "ime se dobijaju ekonomi"ni profili sa najnižom cenom za dobijene stati"ke karakteristike profila. U zemljama u kojima ne postoji proizvodnja vru#e valjanih profila, kao što je Jugoslavija, "esto predstavljaju jedino rešenje. Fabrike koje proizvode ovakve profile daju kataloški pregled dimenzija i karakteristika svojih proizvoda. Sa"asti profili se dobijaju od I-profila posebnim isecanjem rebra i naknadnim zavarivanjem, ali tako da se dobija profil ve #e visine i sa otvorima na rebru (slika %.%04). Na ovaj na"in se sa istom masom profila dobija novi proizvod ve#e visine (slika %.%04a), ali i bitno ve#ih stati"kih karakteristika, "ime mu se pove#ava nosivost i krutost. Stati"ke karakteristike se mogu još pove#ati umetanjem još jednog lima (slika %.%04b). Otvori u rebrima ovakvih profila mogu se uspešno iskoristiti za provo!enje instalacija, a imaju i odgovara ju#i estetski efekat (vizuelnu transparentnost).

Slika 1.104 - Sa"asti profili

Užad i kablovi (slika %.%05) se široko primenjuju kod savremenih "eli"nih konstrukcija za elemente izložene velikim naponima zatezanja, pogotovu kod vise#ih konstrukcija. Za izradu "eli"nih užadi i kablova upotrebljavaju se okrugle ili profilisane (Z, I ili klinaste) žice oblikovane izvla"enjem hladnim postupkom, ili uz dodatnu termi"ku obradu. $vrsto#e na zatezanje žica kre#u se u opsegu od %%80 do 2%60 MPa, a kod patentiranih toplotnom obradom poboljšanih žica i 3000 MPa. $eli"na užad se sastoje od ve#eg broja "eli"nih žica u jednom

%02


ili više strukova koncentri"no raspore!enih oko jezgra užeta. Prema konstrukciji razlikuju se spiralna užad ili paralelna užad (kablovi), pri "emu oba tipa mogu biti izvedena od jednog ili više strukova, a svaki struk iz više žica položenih u jednom ili više slojeva. Otvorena užad su oblikovana iz više okruglih žica koncentri"no raspore!enih u jednom ili više slojeva oko "eli"nog umetka. Zatvorena spiralna užad sastoje se iz jednog ili nekoliko spoljnih slojeva od profilisanih (obi"no Z) žica i unutrašnjih slojeva od okruglih žica.

Slika 1.105 - Užad i kablovi

Istegnuti metal se dobija iz ravnog lima koji je posebno ise"en i posle toga istegnut. Na taj na"in se formira mrežasta plo"a razli"itog oblika otvora (slika %.%06). Primenjuje se za gazišta za stepeništa i podeste.

Slika 1.106 - Istegnuti metal

Rešetkasta gazišta ili rost izra!uju se u razli"itim formama i oblicima od limenih traka debljine 3 i 3,5 mm. Korak lamela, odnosno veli"ina "okca" kre#e se od 30x30 mm do 40x40 mm. Primena im je za gazišta, platforme i opslužne staze. Maksimalne dimenzije mogu biti %600x%400 mm. Izgled rešetkastih gazišta prikazan je na slici %.%07.

%03


Slika 1.107 - Rešetkasta gazišta

6.4 MATERIJAL ZA SPAJANJE Za spajanje elemenata u "eli"nim konstrukcijama koriste se razli"ite vrste zavrtnjeva (obi"ni, visokovredni, samonarezuju#i, samobuše#i, za lim, sa ekspandiraju#om "aurom, itd.), zakivci, zatezne navrtke, pop-nitne i dodatni materijal za zavarivanje (elektrode, žica za zavarivanje, itd.). O ovim proizvodima, prikazanim na slici %.%08, bi#e više re"i u drugim poglavljima ove knjige.

Slika 1.108 - Materijali za spajanje metalnih konstrukcija

%04


7 TERMI!KA OBRADA !ELIKA Termi"ka obrada "elika je izuzetno važan postupak koji se primenjuje u cilju promene kristalne strukture i mehani"kih karakteristika "elika. Kako struktura "elika bitno zavisi od brzine zagrevanja i hla!enja, kao i od intenziteta i dužine zagrevanja, to se kombinacijom ovih operacija mogu poboljšati mehani"ke i metalurške karakteristike "elika do zahtevanih vrednosti. Termi"ka obrada "elika zasniva se na svojstvu polimorfije, odnosno na promenama kristalnih rešetki "elika pri zagrevanju iznad kriti"nih temperaturnih ta"aka, sa naknadnim hla!enjem raznim brzinama, razli"itim rashladnim sredstvima: vodom, vodenim rastvorima NaCl, vodenim rastvorima NaOH, mineralnim uljima itd. Procesi termi"kih obrada se zasnivaju na sekundarnoj kristalizaciji "elika. Pri termi"kim obradama dolazi do zna"ajnih strukturnih promena u "eliku pri njegovom nepromenjenom hemijskom sastavu, uz poboljšanje mehani"kih i drugih karakteristika, što je u stvari i njihov cilj. Tako na primer, termi"kim obradama mogu da se dobiju dvofazne ili jednofazne strukture u "vrstom stanju, tj. mehani"ke smeše, ili "vrsti rastvori. Najpoznatiji postupci termi"ke obrade "elika su: kaljenje, otpuštanje, poboljšanje, žarenje, meko žarenje, normalizacija i starenje. Kaljenje je postupak termi"ke obrade "elika koje se sastoji u zagrevanju iznad temperature rekristalizacije metala (906 °C) za 30-50 °C, uz održavanje te temperature izvesno vreme, a potom u brzom hla !enju razli"itim sredstvima za hla!enje. Pri tome se mogu do biti razli"ite strukture transformacijom austenita. Brzina hla!enja pri kojoj dolazi do transformacije austenita u martenzit naziva se kriti"nom brzinom, dok se temperatura na kojoj dolazi do transformacije u martenzit naziva temperatura martenzitske transformacije i ona se smanjuje sa procentualnim sadržajem ugljenika. Brzina hla!enja mora biti prilago!ena strukturi "elika, u zavisnosti od prirode kupatila za hla!enje. Naglim hla!enjem spre"ava se normalni prelaz γ -"elika u α -"elik, "ime se dobija austenitna struktura. Izuzetno velikom brzinom hla!enja dobija se tvrda martenzitna struktura koja je nedopustiva u gra!evinskim konstrukcijama. Kaljeni "elik ima znatno ve#u "vrsto#u, ali i drasti"no smanjenu žilavost. Tako!e se javljaju i zna"ajni zaostali naponi. Otpuštanje se može sprovesti na više na"ina, u zavisnosti od toga šta se želi posti#i u slu"aju nezadovoljavaju#ih mehani"kih svojstvava nakon kaljenja, posebno previsoke tvrdo#e. Nisko otpuštanje se sprovodi zagrevanjem na 200-300 °C sa laganim hla!enjem, obi"no u ulju ili soli, promenom nestabilne martenzitne tetragonalne rešetke u stabilnu α -rešetku, "ime se smanjuju tvrdo#a i unutrašnja naprezanja, a pove#ava plasti"nost i žilavost. Srednje otpuštanje se sprovodi zagrevanjem do blizu 500 °C pri "emu se ugljenik iz martenzitne α -rešetke izdvaja, pa se dobijaju dve "vrste komponente - ferit i cementit, odnosno karakteristi"na smeša - trustit . Visoko otpuštanje se sprovodi zagrevanjem do 600 °C pri "emu cementit raste do mikroskopskih veli"ina karakteristi"nih za sorbit . Daljim zagrevanjem dobija se polazna struktura pre kaljenja - perlit. Suština ovog postupka je smanjenje zaostalih napona u valjanim, zavarenim ili kovanim elementima. Pojedine vrste "elika podvrgavaju se otpuštanju posle normalizacije. Poboljšanje je kombinovana termi"ka obrada kaljenja na strukturu martenzita sa naknadnim visokim otpuštanjem radi popravljanja mehani"kih svojstava tj. smanjenja tvrdo#e, a pove#anja plasti"nosti i žilavosti. Poboljšani "elici u pore!enju sa normalizovanim imaju pri istoj "vrsto#i na zatezanje višu granicu razvla"enja, ve#e izduženje i kontrakciju.


%05

Žarenje je postupak koji se sastoji od zagrevanja i sporog hla!enja "elika u cilju izjedna"avanja hemijskog sastava (difuzno žarenje), uravnoteženja strukture (potpuno žarenje) i uklanjanja unutrašnjih napona (rekristalizaciono žarenje), pa se razlikuju tri postupka žarenja. Homogenizaciono (difuzno) žarenje se sprovodi zagrevanjem "elika do blizu solidus linije (po"etak topljenja) radi izjedna"avanja hemijskog sastava tj. uklanjanja segregacije nakon livenja. Potpuno žarenje se sprovodi zagrevanjem "elika za 30-50 °C iznad linije GSK (gornja granica ferita, videti sliku %.82), sa ciljem lakše obrade rezanjem ili plasti"nim deformisanjem, kao i usitnjavanja strukture gotovih proizvoda. Rekristalizaciono žarenje se vrši zagrevanjem odlivaka i drugih "eli"nih proizvoda do 600-650 °C radi uklanjanja unutrašnjih naprezanja sa vrlo sporim hla!enjem, obi"no u pe#i. Normalizacija je postupak termi"ke obrade kod kojeg se "eli"ni element zagreva do temperature nešto iznad 906 °C, odnosno do potpune rekristalizacije, i kontrolisano hladi, da bi se dobila sitnozrna i homogena kristalna struktura. Ova temperatura se zadržava u toku kratkog vremena, a zatim se vrši ponovno hla!enje na vazduhu ili u pe#ima. Cilj ovog tretmana "eli"nih proizvoda je regulisanje strukture metala, "iš#enje zrna i eliminisanje negativnih posledica hladnih i vru#ih deformacija kojima je "elik bio izložen. Normalizaci jom se uklanjaju strukturne promene "elika nastale zavarivanjem, kaljenjem itd.

8 IZBOR OSNOVNOG !ELI!NOG MATERIJALA ZA NOSE&E KONSTRUKCIJE 8.1 FAKTORI OD UTICAJA NA IZBOR !ELIKA Adekvatan izbor "elika je jedan od najvažnijih parametara od kojih zavisi ne samo sigurnost i funkcionalnost, ve# i ekonomi"nost i estetika nose#ih konstrukcija i objekata u celini. Pravilan izbor "elika je prvenstveno zna"ajan za zavarene "eli"ne konstrukcije izložene stati"kom, a pogotovu dinami"kom optere#enju. Pooštrenje uslova iskoriš#enja "eli"nog materi jala u savremenim nose#im konstrukcijama i neophodnost izgradnje ekonomi"nih i prema drugim materijalima konkurentnih konstrukcija, uz istovremeno obezbe!enje neophodnog stepena sigurnosti tokom izrade i koriš#enja, name#u ozbiljan zadatak konstrukterima u pogledu izbora "elika za nose#e konstrukcije, odnosno razli"itih vrsta i kvaliteta "elika za pojedine delove konstrukcija. Pri izboru "elika mora se voditi ra"una o svim bitnim faktorima od uticaja. Dosadašnje nezgode i havarije na "eli"nim konstrukcijama, a posebno one povezane sa krtim lomom, uglavnom su uzrokovane neadekvatnim izborom osnovnog "eli"nog materi jala, opšte koncepcije, na"ina izrade kao i uslovima koriš#enja. Ispravan izbor "elika uti"e kako na smanjenje rizika od havarije tako i na tehno-ekonomsku optimizaciju nose#ih konstrukcija. Najzna"ajniji faktori koji uti"u na izbor "elika su: radna temperatura, mikrolokaci ja, uslovi korišenja, vrsta naprezanja, osobine "elika, debljina materijala, koncepcija i oblikovanje konstrukcije, uslovi izgradnje i zna"aj delova konstrukcije. Osetljivost "elika prema krtom lomu raste sa snižavanjem radne temperature konstrukci je. Najniža radna temperatura konstrukcije zavisi od klimatskih uslova mikrolokacije, uslova koriš#enja objekta i oblikovanja konstrukcije. Kod konstrukcija koje se koriste pri stalno niskim temperaturama (na primer hladnja"e) najnižu radnu temperaturu odre!uje korisnik. Pri izboru "elika za konstrukcije izložene visokim temperaturama treba praviti razliku da li je konstrukcija izložena konstantno visokim temperaturama ili povremenom kratkotrajnom

%06


uticaju povišenih temperatura. U prvom slu"aju biraju se "elici predvi!eni za rad na visokim temperaturama, a u drugom slu"aju mogu se primeniti i opšti konstrukcioni "elici. Debljina zidova konstruktivnih elemenata ima izuzetan uticaj na sklonost ka krtom lomu, što proisti"e još iz faze proizvodnje "elika. Ve# pri livenju kokila nastaju neravnomernosti u metalurškom sastavu "elika, što se teško može odstraniti u daljem postupku valjanja debelih elemenata. Tako!e se javljaju i lokalni zaostali naponi zna"ajnih vrednosti, kao posledica neravnomernog hla!enja posle valjanja. Usled ovih razloga debeli zidovi "eli"nih elemenata imaju pove#anu sklonost ka krtom lomu, pa ih treba izbegavati kod zavarenih konstrukcija, a naro"ito onih optere#enih dinami"kim optere#enjem. Geografski i topografski položaj objekta, a posebno uslovi transporta i montaže imaju bitan uticaja na izbor "elika za konstrukciju. Primena kvalitetnijih vrsta "elika ima za posledicu smanjenje sopstvene težine konstrukcije, a time i mogu#nost izrade ve#ih montažnih delova za transport i montažu na gradilištu. Loše zemljište i mogu#nost uštede na fundiranju kao posledica smanjenja sopstvene težine konstrukcije mogu ponekad ukazivati na izbor boljih vrsta "elika. Sli"no je i sa izradom konstrukcija u seizmi"ki aktivnim regionima, gde manja masa konstrukcije izra!ene od kvalitetnijih "elika ima pozitivan efekat. Ograni"enje dopuštenih deformacija ili vibracija konstrukcije, proizašlo iz uslova koriš#enja ili uslova oblikovanja, uti"e na izbor materijala za konstrukcije. Povoljnost u ovom slu"aju pruža upotreba obi"nog konstrukcionog "elika sa težom, kru#om i manje deforma bilnom konstrukcijom. Vrsta, veli"ina i trajanje naprezanja uti"e na izbor "elika za konstrukciju. Poboljšanje mehani"kih karakteristika kvalitetnijeg "elika najbolje se može iskoristiti pri naprezanju zatezanjem, manje pri savijanju i smicanju, a najmanje u slu "ajevima u kojima su izraženi problemi stabilnosti. Koncepcija i oblikovanje "eli"nih konstrukcija imaju izuzetan uticaj na izbor "elika, uzima ju#i posebno u obzir parametre od kojih zavisi osetljivost prema krtom lomu. Osetljivost na krti lom se pove#ava visokom koncentracijom napona, naro"ito u slu"aju višeosnog napona zatezanja. Pored napona izazvanih radnim optere#enjem ovde se moraju uzeti u obzir i naponi nastali konstrukcijskim oblikovanjem i primenjenom tehnologijom proizvodnje konstrukcije. Uslovi izrade "eli"ne konstrukcije u radionici i njene montaže na gradilištu (na"in izrade, topla ili hladna obrada, spojna sredstva, vrsta i režim zavarivanja, transport, postupak montaže, kontrola i opremljenost izvo!a"a radova) predstavljaju nesumnjive faktore koji uti"u na izbor "elika. Jedan od najzna"ajnijih uticaja na ocenjivanje rizika i posledica eventualnog loma konstrukcije zavisi od zna"aja konstrukcije ili njenih delova, pa se razlikuju: − konstrukcije ili delovi konstrukcije od "ijih funkcionalnih sposobnosti zavisi stabilnost ili upotrebljivost celokupne nose#e konstrukcije ili njenih najvažnijih delova, − konstrukcija ili delovi konstrukcije "iji lom prouzrokuje lokalno ošte#enje ili lokalno smanjenje upotrebljivosti, ali ne ugrožava stabilnost ili upotrebljivost celokupne nose#e konstrukcije ili njenih važnijih delova.

8.2 IZBOR OSNOVNOG !ELI!NOG MATERIJALA PREMA STANDARDU JUS U.E7.010/1988 Standardom JUS U.E7.0%0/%988 utvr !uje se na"in izbora osnovnog materijala za izradu nose#ih "eli"nih konstrukcija od opštih konstrukcionih "elika i utvr !uju minimalni zah-


%07

tevi za obezbe!enje sigurnosti nose#e "eli"ne konstrukcije na krti lom. Ovaj standard se primenjuje za nose#e "eli"ne konstrukcije u gra!evinarstvu ukoliko za ove konstrukcije ne postoje posebni propisi, a važi za konstrukcije izložene radnim temperaturama iznad -25 °C. Izbor osnovnog materijala prema ovom standardu odnosi se na konstrukcije spojene zakivcima ili zavrtnjevima i na zavarene konstrukcije. Za izbor osnovnog materijala za konstrukcije spojene zakivcima ili zavrtnjevima, kao i za delove konstrukcije na kojima nema zavarenih šavova, merodavne su jedino mehani"ke osobine materijala. U tim slu"ajevima zadovoljavaju opšti konstrukcioni "elici najniže grupe kvaliteta, za koju se ne propisuje dokaz otpornosti prema krtom lomu opitom udarne žilavosti. Ovim standardom se propisuje postupak izbora "elika za zavarene konstrukcije kod ko jih adekvatan izbor "elika, kao što je prethodno ve# re"eno, ima odlu"uju#i uticaj prvenstveno na sigurnost konstrukcije zbog izražene opasnosti od krtog loma. Glavni faktori ko ji uti"u na izbor osnovnog materijala za nose#e konstrukcije su naprezanje, konstrukcijsko oblikovanje, debljina elemenata konstrukcije, zna"aj elemenata konstrukcije i radna tem peratura tokom koriš#enja konstrukcije. Postupkom izbora "elika prema ovom standardu neophodno je sra"unati faktor opasnosti od krtog loma L. Ako je deo konstrukcije napregnut na zatezanje, faktor opasnosti se izra"unava prema izrazu: (%.26)

L = K ⋅ Z ⋅ N

gde je: L faktor opasnosti od krtog loma, K faktor konstrukcije, Z faktor zna"aja dela konstrukcije, N faktor naprezanja. Rezultat proizvoda za faktor opasnosti L treba zaokružiti na najbližu od slede#ih vrednosti: 2,8; 2,0; %,4; %,0; 0,7 i 0,5.

Slika 1.109 - Vrednosti konstrukcionog faktora K

Faktor konstrukcije K izražava sklonost prema krtom lomu uslovljenu konstrukcijskim oblikovanjem (slika %.%09). Vrednosti faktora konstrukcije K su:

%08


− K =%,0 za: − najjednostavnije zavarene konstrukcije bez neprekinutih podužnih su"eonih za-

varenih šavova; − zavarene šuplje popre"ne preseke sa podužnim neprekinutim ugaonim zavarenim šavovima bez podužnih ukru#enja i bez podužnih ili popre"nih su"eonih zavarenih šavova; − vru#e i hladno oblikovane normalizovane šuplje profile i otvorene profile bez podužnih ukru#enja i bez popre"nih su"eonih šavova izvedenih posle normalizacije; − valjane profile sa su"eonim šavovima; − štapaste delove konstrukcije sa popre"nim su"eonim šavovima; − delove konstrukcije žarene radi otklanjanja unutrašnjih napona; − K =%,4 za: − zavarene konstrukcije sa neprekinutim podužnim su"eonim zavarenim šavovima ili K zavarenim šavovima; − zavarene delove konstrukcije nosa"a, npr. I popre"nog preseka i sli"nih, kod ko jih podužni zavareni šavovi ne leže u blizini slobodne ivice; − zavarene štapaste konstrukcije sa podužnim ukru#enjima, podužnim ili popre"nim su"eonim šavovima; − ostale delove konstrukcije sa popre"nim i podužnim su"eonim šavovima; − zavarene konstrukcije sa naglim prelazima na mestima promene popre"nih preseka; − za hladno oblikovane šuplje profile. − K =2,0 za: − zavarene konstrukcije sa znatnim nepovoljnim dvoosnim naprezanjima usled spoljašnjeg optere#enja; − delove konstrukcija sa ukrštenim zavarenim šavovima, kad su u oba šava podužni i popre"ni sopstveni naponi; − komplikovane delove konstrukcije sa nagomilavanjem zavarenih šavova. Faktor zna"aja dela konstrukcije, odnosno faktor ošte#enja Z zavisi od zna"aja dela konstrukcije u odnosu na sigurnost i funkcionalnu podobnost cele nose#e "eli"ne konstrukcije. Vrednosti faktora Z su slede#e: − Z =0,5 za sporedne elemente nose#e "eli"ne konstrukcije, kao što je na primer vertikalni lim sporednih nosa"a koji služe za horizontalno ukru#enje; − Z =0,7 za elemente konstrukcije koji su zna"ajni za opstanak dela konstrukcije, kao što su na primer zategnuti pojasevi sporednih nosa"a ili vertikalni limovi glavnih nosa"a; − Z =% za elemente konstrukcije koji su zna"ajni za sigurnost i funkcionalnu podobnost celokupne nose#e "eli"ne konstrukcije ili njenih najvažnijih delova, kao što su na primer zategnuti pojasevi glavnih nosa"a. Faktor naprezanja uzima u obzir uticaj brzine naprezanja na pojavu krtog loma. Vrednosti faktora N su: − N =% za delove bez udarnog ili impulsnog naprezanja; − N =%,4 za delove sa udarnim ili impulsnim naprezanjem. Najniža radna temperatura konstrukcije T zavisi od klimatskih uslova mikrolokacije, uslova koriš#enja objekta i oblikovanja konstrukcije. Za evropske klimatske uslove,

%09


uklju"uju#i Jugoslaviju, uobi"ajeno je odre!ivanje radne temperature konstrukcije prema slede#em: − 25°C≤T ≤-%0°C za konstrukcije u otvorenom prostoru, pri "emu se spoljna projektna temperatura podru" ja prema JUS U.J5.600 može uzeti za radnu temperaturu T ; − T >-%0°C za konstrukcije u zatvorenom prostoru koji je toplotno izolovan i ima instalacije koje obezbe!uju uslove rada. Postupak izbora osnovnog materijala sprovodi se na osnovu zaokružene vrednosti faktora opasnosti od krtog loma L, koja se traži u gornjem delu tabele %.%9 ispod odgovaraju#e najniže radne temperature T . Zatim se po horizontali, za odgovaraju#u debljinu materi jala t pro "ita broj %, 2 ili 3 koji predstavlja poslednji broj u oznaci materijala prema standardu JUS C.B0.500 "ime je izvršen izbor grupe kvaliteta osnovnog materijala. Pored bro ja stoji i re" umiren ili neumiren kako bi se znao izbor materijala s obzirom na dezoksidaciju. Gornji deo tabele odnosi se na delove napregnute zatezanjem i zatezanjem pri savijanju, a srednji deo tabele na delove napregnute pritiskom i pritiskom pri savijanju. Izbor materijala za delove napregnute pritiskom zavisi samo od debljine materijala. Brojevi % i 2 imaju isto zna"enje kao i u gornjem delu tabele. Donji deo tabele odnosi se na delove konstrukcije napregnute zatezanjem ili pritiskom koji su u procesu izrade hladno oblikovane. Kada se odredi kvalitet osnovnog materijala prema donjem delu tabele, obavezno se upore!uje sa grupom kvaliteta osnovnog materijala odre!eno prema gornjem ili srednjem delu tabele i usvoji kvalitetniji materijal. Tabela 1.19 - Odre # ivanje kvaliteta osnovnog ! eli ! nog materijala Faktor opasnosti od krtog loma L = K ⋅ Z ⋅ N za radnu temperaturu

Naprezanje

− %0 C ≥ T ≥ −25 C

T > −%0 " C 2,8 2,0 2,8 %,4 2,0 Zatezanje i %,0 %,4 zatezanje pri savijanju %,0 0,7 0,5 0,7 0,5 Pritisak i pritisak pri savijanju "

Stepen hladne deformacije

Debljina materijala t !mm"

"

Umeren r / t ≥ %0 − 25 2% < ε ≤ 5% Poja"an r / t < %0 ε > 5%

5

%0

%5

20

25

30

35

%- umiren

40

3 2

%-neumiren

0-slobodno % n e r n e i r m i m u e u n %

2 2

3

%

n e r n e i r i m m u e u n -

-% %

2

3

45 50

%%0


9 METODE PRORA!UNA !ELI!NIH KONSTRUKCIJA 9.1 UVOD Do poslednjih decenija prošlog veka projektovanje kao ra"unski dokaz nosivosti i sigurnosti konstrukcija nije postojalo kao faza koja prethodi gra!enju. Gra!evinarstvo je predstavljalo veštinu zasnovanu na intuiciji i iskustvu. Osnovni princip je bio da se proporcije i dimenzije objekata zadrže u okviru dimenzija sli"nih, ve# sagra!enih, konstrukcija. Na takav na"in su izgra!ene sve katedrale na zapadu Evrope. Me!utim, razvoj matematike i primenjene mehanike, po"ev od druge polovine XIX veka dovodi do postepene primene matemati"kih operacija i iskustvenih matemati"kih i mehani"kih modela u prora"unu konstrukcija. Od tada pa sve do današnjih dana imperativ u projektovanju bilo koje gra !evinske konstrukcije postaje izrada projekta, koji treba da predstavlja optimalno rešenje, koje je najekonomi"nije, tehni"ki prihvatljivo i izvodljivo, a pri tome zadovoljava i estetske kriterijume. Konstrukcija se može smatrati tehni"ki prihvatljivom odnosno pouzdanom, ako zadovoljava sve uslove u vezi sigurnosti, funkcionalnosti i trajnosti. Najvažniji od ovih kriterijuma koji pri projektovanju treba da su zadovoljeni jeste kriterijum sigurnosti. Konstrukcija mora da bude prora"unata (dimenzionisana) tako da sa odgovaraju#im stepenom sigurnosti prihvati sva o"ekivana optere#enja koja #e se javiti tokom njenog životnog veka, odnosno u fazi montaže i za vreme predvi !enog eksploatacionog perioda. Ukoliko kriterijum sigurnosti, iz bilo kojeg razloga, nije zadovoljen, dolazi do loma konstrukcije ili njenog dela, odnosno do gubitka stabilnosti konstrukcije kao celine ili kao krutog tela (preturanje, klizanje), što za posledicu ima velike materijalne štete, a ne retko i ljudske žrtve. Kriterijum funkcionalnosti se ogleda u zadovoljenju posebnih zahteva bitnih za nesmetano funkcionisanje objekta u skladu sa njegovom namenom. Naj"eš#e se odnose na deformacije koje mogu nepovoljno da uti"u na udobnost korisnika, funkcionisanje opreme ili da imaju nepovoljan estetski efekat. I vibracije, tako!e, mogu nepovoljno uticati na funkcionalnost objekta. Stoga pri projektovanju "eli"nih konstrukcija nikako ne treba izostaviti proveru ovih kriterijuma funkcionalnosti. Na trajnost objekta, pre svega, uti"u izbor i kvalitet ugra!enih materijala, kao i kvalitet izvo!a"kih radova, ali i konstrukcijsko oblikovanje detalja. Pravilnim oblikovanjem može se znatno pove#ati trajnost konstrukcije s obzirom na korozionu zaštitu, posebno kod inženjerskih objekata (npr. mostovi, stubovi dalekovoda, antenski stubovi, dimnjaci, silosi, itd.), koji su direktno izloženi dejstvu atmosferskih uticaja. Osim toga, primena odgovara ju#e antikorozione i protivpožarne zaštite tako!e povoljno uti"e na trajnost metalnih konstrukcija, naravno uz odgovaraju#e, redovno i periodi"no održavanje. Metode prora"una pomo#u kojih se može dokazati sigurnost i funkcionalnost konstrukcije dele se na deterministi"ke i probabilisti"ke, u zavisnosti od pristupa odre!ivanja sigurnosti i od na"ina uvo!enja koeficijenta sigurnosti. Ve#ina inženjerskih prora"una u prošlosti zasnivala se na deterministi"kom pristupu. Optere#enja i karakteristike materijala smatrani su za determinisane (odre!ene) vrednosti i obi"no su bili propisani Pravilnikom. Koeficijent sigurnosti (ν ), kao tre#i osnovni element prora"una, tako!e je determinisana veli"ina. Na osnovu koeficijenta sigurnosti propisuju se dopušteni naponi koji ne smeju da budu


%%%

premašeni u elementima konstrukcije ni u jednoj fazi njenog životnog veka. Imaju#i u vidu da se ova deterministi"ka metoda prora"una zasniva na dopuštenim naponima, naj"eš#e se u literaturi naziva metoda ili teorija dopuštenih napona. Sa razvojem teorije verovatno#e (probabilisti"ke teorije) došlo se do saznanja da parametri koji se koriste pri prora"unu imaju stohasti"ki karakter, pa se razvio nov na"in prora"una koji je u svom pristupu probabilisti"ki. Naime, parametri koji uti"u na sigurnost konstrukcije uvode se u prora"un kao slu"ajne promenljive veli"ine i u obzir se uzima verovatno#a njihovih pojava, a koeficijenti sigurnosti se vezuju i za optere#enje i za osobine materijala. Prema ovom konceptu ne postoji apsolutna sigurnost konstrukcije, ve# je mogu#a i takva slu"ajna kombinacija pri kojoj dolazi do rušenja, ali sa propisanom, dovoljno malom verovatno#om pojave. Metoda prora"una koja je nastala kao rezultat ovakvog koncepta naziva se metoda grani"nih stanja i zasniva se na poluprobabilistici, jer sadrži niz pojednostavljenja u odnosu na "istu probabilistiku teoriju.

9.2 METODA DOPUŠTENIH NAPONA Razvoj linearne teorije elasti"nosti u poslednjim decenijama XIX veka omogu#io je matemati"ki aparat za analizu ponašanja "eli"nih konstrukcija u domenu elasti"nog - linearnog ponašanja. S obzirom da su eksperimenti pokazali da je "elik do dostizanja granice razvla"enja idealno elasti"an materijal, koji se ponaša saglasno Hukovom zakonu, u prora"unu je uz tu pretpostavku usvojen i stav da napon na granici razvla"enja odre!uje po"etak loma konstrukcije. Kao direktna posledica usvojenih pretpostavki nastala je metoda dopuštenih napona, jedna od najstarijih metoda prora"una koja, modifikovana tokom vremena, još uvek predstavlja široko prihva#en koncept dokaza sigurnosti "eli"nih konstrukcija. Metoda dopuštenih napona se zasniva na uslovu da usled spoljašnjeg optere#enja, ni u jednom preseku konstrukcije, maksimalani normalni ( σ max ) i smi"u#i ( τ max ) napon ne smeju da budu ve#i od dopuštenih ( σ dop i τ dop ), odnosno: σ max

≤ σ dop = f y /ν

(%.27)

τ max

≤ τ dop = ( f y / 3 ) /ν

(%.28)

gde su: f y napon na granici razvla"enja, ν koeficijent sigurnosti, "ija je vrednost obavezno ve#a od %,0. Na taj na"in je konstrukcija obezbe!ena od loma, a elasti"no ponašanje njenih elemenata je osigurano za sve vreme njenog trajanja. Pri tome koeficijent sigurnosti obuhvata sve nepravilnosti u vezi procene optere#enja, karakteristika materijala, pretpostavljene i stvarne geometrije elemenata konstrukcije, kao i odstupanja stvarnih uticaja u konstrukciji od ra"unskih usled neadekvatnog stati"kog modela ili metode analize. Za razli"ite elemente u konstrukciji merodavne su razli"ite kombinacije optere#enja, pa se oni proveravaju s obzirom na uticaje usled tih merodavnih kombinacija. Kako su promenljiva opere#enja uglavnom nezavisna i promenljiva kroz vreme (sneg, vetar, seizmika, temperaturni uticaji...), mogu#e je njihovo istovremeno dejstvo. Metoda dopuštenih napona ne dopušta nikakvu redukciju ovih optere#enja pri istovremenom delovanju, kojom bi se na izvestan na"in uzela u obzir smanjena verovatno#a istovremenog delovanja više raz-

%%2


li"itih promenljivih optere#enja. Dakle, pri kombinovanju razli"itih optere#enja sva optere#enja se uzimaju sa punim iznosom, ali se za razli"ite kombinacije propisuje razli"it koeficijent sigurnosti. Zakonska tehni"ka regulativa definiše tri slu"aja optere#enja i njima odgovaraju#e koeficijente sigurnosti (tabela %.20). Tabela 1.20 - Koeficijenti sigurnosti za razli !i te slu! ajeve optere" enja %

2 3

Slu"aj optere#enja I slu"aj optere#enja (osnovno) II slu"aj optere#enja (osnovno+dopunsko) III slu"aj optere#enja (osnovno+dopunsko+izuzetno)

Koeficijent sigurnosti ν I = %,50 ν II = %,33 ν III = %,20

Prvi slu"aj optere#enja obuhvata kombinacije osnovnih optere#enja (sopstvena težina, korisno optere#enje, sneg, itd.), koja se naj"eš#e javljaju tokom eksploatacionog veka konstrukcije, pa je samim tim i koeficijent sigurnosti za ovaj slu"aj optere#enja najviši. U drugi slu"aj optere#enja spadaju kombinacije optere#enja koje pored osnovnih obuhvataju i dopunska optere#enja (vetar, bo"ni udari kod kranskih nosa"a i železni"kih mostova, sile ko"enja, temperaturni uticaji itd.). Pod tre#im slu"ajem optere#enja podrazumevaju se kombinacije optere#enja koje pored pomenutih osnovnih i dopunskih uticaja uzimaju u obzir i izuzetna optere#enja kao što su seizmika, razli"ito sleganje oslonaca, sile udara vozila, itd. Treba napomenuti da za dimenzionisanje razli"itih elementata jedne iste konstrukcije mogu da budu merodavni razli"iti slu"ajevi optere#enja. Tako na primer, ako se ima u vidu odnos vrednosti koeficijenata sigurnosti za I i II slu"aj optere#enja (ν I/ν II = %,50/%,33 = %,%25) može se zaklju"iti da je II slu"aj optere#enja merodavan samo ako je doprinos naprezanja posmatranog elementa usled razmatranog dopunskog optere#enja ve#i od %2,5% naprezanja prouzrokovanog osnovnim optere#enjem. Sli"no važi i za III slu"aj optere#enja, samo je u ovom slu"aju ovaj odnos ve#i i iznosi 25%. Tako!e se isti"e da za pojedine elemente konstrukcije (npr. spregovi za prijem sila vetra, bo"nih udara ili ko"enja) "ija je osnovna funkcija prijem nekog optere#enja iz grupe dopunskih, ova optere#enja ne spadaju u II ve# u I slu"aj optere#enja, jer za posmatrani element predstavljaju osnovno optere#enje. Kao što se vidi, optere#enja su propisana (determinisana) zakonskom tehni"kom regulativom i po kombinacijama i po intenzitetu. Me !utim, metodu prora"una prema dopuštenim naponima ne karakterišu samo determinisana vrednost optere#enja, kombinacija optere#enja i koeficijent sigurnosti, koji su odre!eni na osnovu istorijskog nasle!a. U njene karakteristike spadaju i slede#e pretpostavke: elementi se ra"unaju sa srednjim naponima u presecima; prora"unom se ne obuhvataju zaostala naponska stanja used valjanja, se"enja, zavarivanja i drugih postupaka obrade; u prora"un se ne uvode uticaji koncentracije napona pri devijaciji toka sila i geometrijske imperfekcije elemenata. Iako je neminovan zaklju"ak da su u"injene aproksimacije veoma grube, ipak je metoda dimenzionisanja "eli"nih konstrukcija prema dopuštenim naponima jasna i jednostavna i sa zadovoljavaju#om ta"noš#u se upotrebljava i pri rešavanju nelinearnih problema. Pravilno primenjena u prora"unu, uz adekvatno konstruisanje i izvo!enje, nikada nije bila uzrok havarije i rušenja nose#e "eli"ne konstrukcije, što potvr !uju svetska iskustva iz mnogih proteklih godina, kada je metoda dopuštenih napona bila jedina poznata metoda za prora"un, ne samo "eli"nih ve# i betonskih, zatim spregnutih i drvenih konstrukcija. Ipak, imaju#i u vidu izrazito elasto-plasti"no ponašanje gotovo svih realnih materijala za konstrukcije, a posebno "elika, ograni"avanje napona u oblasti elasti"nog ponašanja,


%%3

kako se zahteva u metodi dopuštenih napona prili"no je konzervativno, a pretpostavka o idealno elasti"nom materijalu ne važi za napone iznad granice razvla"enja.

9.3 METODA GRANI!NIH STANJA Postepeno spoznavanje svih nedostataka i grubih aproksimacija u metodi dopuštenih napona, kao i stohasti"ka priroda ve#ine povremenih optere#enja (vetar, sneg, seizmika, temperatura, ljudska navala itd.) dovela je do sasvim opravdanih i o"ekivanih pokušaja konstruktera da u prora"un konstrukcija uvedu što realnije parametre. Krajnji cilj projektanta-konstruktera u oblikovanju koncepta prora"una jeste probabilisti"ka metoda zasnovana na primeni teorije verovatno#e. Po toj metodi sve parametre koji uti"u na prora"un tre ba uvesti preko njihovih stvarnih krivih raspodele, pa višestrukom integracijom proveriti da li je postignut zahtevan stepen sigurnosti. Me!utim, i pored posedovanja mo#nih ra"unara, ova metoda nije primenljiva u inženjerskoj praksi, jer zahteva izuzetno obiman rad na krivama raspodele, koje zbog svog obima nikako ne bi mogle da na !u mesto u tehni"kim regulativama. Pojednostavljenje ove metode može se posti#i usvajanjem Gausove krive raspodele verovatno#e za sve parametre u prora"unu, i preko karakteristi"nih vrednosti - srednje vrednosti i standardne devijacije, odrediti stepen sigurnosti. Metoda grani"nih stanja koja nalazi primenu u savremenim regulativama predstavlja dalje pojednostavljenje postupka, u tom smislu što su od svih parametara koji uti"u na prora"un samo svojstva materijala i optere#enja obra!eni u statisti"kom smislu. Oni se u prora"un uvode putem svojih karakteristi"nih vrednosti. Karakteristi"na vrednost odre!uje veli"inu koja sa odre!enim stepenom verovatno#e ne#e biti prekora"ena u nepovoljnijem smislu. Ostali faktori neizvesnosti obuhvataju se transformisanjem karakteristi"nih vrednosti u prora"unske, pomo#u parcijalnih koeficijenata sigurnosti. Dakle, umesto jedinstvenog koeficijenta sigurnosti koji je bio propisan u metodi dopuštenih napona, metoda grani"nih stanja koristi više parcijalnih koeficijenata sigurnosti koji se odnose na optere#enja i na otpornost. Jasno je da ovde nije u pitanju "isto probabilisti"ki pristup, te je i koncept nazvan polu probabilisti"ki. Suštinska razlika izme!u dosadašnjeg deterministi"kog koncepta realizovanog kroz metodu dopuštenog napona i novog probabilisti"kog koncepta na kome se zasniva metoda grani"nih stanja jeste u tome što se više ne dimenzioniše konstrukcija koja ima apsolutnu sigurnost u odnosu na dejstvo normiranog optere#enja, ve# se projektuje konstrukcija koja sa odre!enom verovatno#om ne#e doživeti izvesno grani"no stanje, ili više mogu#ih grani"nih stanja. Osnovni zahtev koji se postavlja pred projektanta je da isprojektuje i konstruiše konstrukciju koja #e sa prihvatljivom verovatno#om ostati pogodna za upotrebu radi koje je projektovana, vode#i ra"una o njenoj trajnosti. Stepen verovatno#e kojim se garantuje sigurnost konstrukcije u svakom od navedenih slu"ajeva usvaja se prema težini posledica od mogu#ih nezgoda. Projektom treba odgovoriti na zahtev da konstrukcija izdrži dejstva i uticaje koji #e se javiti za vreme izgradnje (montaže), eventualnog probnog optere#enja i eksploatacije, zatim da adekvatno odgovori zahtevima funkcionalnosti u toku koriš#enja i da ima odgovaraju#u trajnost. Grani"no stanje može da nastupi u bilo kom trenutku koriš #enja, odnosno života konstrukcije i predstavlja stanje u kome konstrukcija ili neki njen deo gubi funkciju za koju je

%%4


projektovan. U zavisnosti od na"ina na koji konstrukcija prestaje da ispunjava odre!enu funkciju, postoje i razli"ite vrste grani"nih stanja. Ona su podeljena u dve osnovne grupe: − grani"na stanja nosivosti i − grani"na stanja upotrebljivosti. Grani"na stanja nosivosti su vezana za rušenje ili neke druge vidove gubitka nosivosti konstrukcije, koji mogu da ugroze bezbednost ljudi. Naj"eš#i uzroci nastanka grani"nog stanja nosivosti su: gubitak stati"ke ravnoteže ili velika pomeranja konstrukcije kao krutog tela, lom konstrukcije ili njenog dela usled prekora"enja otpornosti popre"nog preseka, gu bitak stabilnosti elementa ili konstrukcije kao celine usled efekata drugog reda, prelazak sistema u potpuni ili delimi"ni mehanizam formiranjem plasti"nih zglobova, prekomerne deformacije i zamor materijala. Kriterijumi funkcionalnosti, spomenuti u uvodnom delu, definišu grani"no stanje upotrebljivosti. Prema tome, može se re#i da prekora"enjem grani"nih stanja upotrebljivosti više nisu zadovoljeni prora"unski zahtevi koji se odnose na posebne eksploatacione kriterijume. Naj"eš#e su ovi posebni zahtevi u vezi sa deformacijama (ugibima) koje nepovoljno uti"u na izgled i efikasnu eksploataciju gra!evinskog objekta i vibracijama koje izazivaju nelagodnost kod ljudi, ošte#enja sekundarnih elemenata i ograni"enje funkcionalnosti opreme. Pri prora"unu "eli"nih konstrukcija metodom grani"nih stanja potrebno je da se sprovede analiza ponašanja konstrukcije u odnosu na sva kriti"na grani"na stanja. Uobi"ajeno je da se konstrukcija dimenzioniše u odnosu na grani"no stanje nosivosti, a proverava na grani"no stanje upotrebljivosti. Grani"na stanja se izražavaju pomo#u ra"unskog modela koji obuhvata razli"ite parametre i promenljive pod zajedni"kim imenom osnovne promenljive, a to su uobi"ajeno: − dejstva (optere#enja, prinudne deformacije, temperatura...), − svojstva materijala i − geometrijski podaci. U opštem slu"aju uslov za dokaz grani"nog stanja, bilo da se radi o grani"nom stanju nosivosti ili upotrebljivosti može da se izrazi slede#om nejedna"inom: S d ≤ Rd

(%.29)

gde je S d prora"unska vrednost efekta (unutrašnje sile, naponi, derformacije, itd.) usled spoljašnjih dejstava, a Rd odgovaraju#a prora"unska otpornost. Sigurnost konstrukcije definišu dve osnovne veli"ine, optere#enje ili uticaji koji deluju na konstrukciju S , i otpornost same konstrukcije R. Svaka od ovih veli"ina predstavlja jedan statisti"ki skup: S = { s% , s2 ,....., sn }

(%.30)

R = {r %, r 2 ,....., r n }

(%.3%)

Na primer, promenljiva S , koja obuhvata uticaje, uslovljena je vrstama optere#enja, na"inom njihovog nanošenja, trajanjem, njihovom kombinacijom itd. Promenljiva R, koja obuhvata otpornost konstrukcije, zavisi od kvaliteta osnovnog materijala, na"ina izrade, grešaka koje nastaju pri izradi elemenata i dr. Dalje, svaki od elemenata statisti"kog skupa (S ili R) predstavlja slu"ajnu promenljivu veli"inu "ije numeri"ke vrednosti predstavljaju tako!e jedan statisti"ki skup. Statisti"kom analizom apsolutno je nemogu#e obuhvatiti sve elemente jednog skupa, jer je njihov broj beskona"an. Stoga se odabira jedan podskup od-

%%5


re!enog statisti"kog skupa (populacije) koji se naziva uzorak, i na njemu vrši ispitivanje u cilju utvr !ivanja zakonitosti pojave odre!enog parametra. Slu"ajni uzorak predstavlja i dimenzionalnu slu"ajno promenljivu: X = { x%, x2 ,....., xn }

(%.32)

a svaki element uzorka, xi, ima odre!enu verovatno#u P i , tako da skup: P = { P %, P 2 ,....., P n }

(%.33)

predstavlja raspodelu verovatno#e slu"ajno promenljive X , uz uslov: n

P i = % . ∑ i=

(%.34)

%

Za promenljive veli"ine koje figurišu u prora"unu gra!evinskih konstrukcija usvojen je normalni ili Gausov zakon raspodele verovatno#e. Izrazi za karakteristi"ne veli"ine koje su svojstvene za Gausov zakon raspodele dati su u tabeli %.2%. Tabela 1.21 - Karakteristi !n e veli ! ine za Gausov zakon verovatno " e %

x =

Aritmeti"ka sredina (srednja vrednost)

% n

x ∑ n =

i

i %

n

2

3

∑= ( x − x ) i

Srednje kvadratno odstupanje

σ x

V x

Koeficijent varijacije

= =

2

i %

n −% σ x

x

⋅%00 (%) 2

4

Kriva Gausove raspodele verovatno#e

*)

F ( x) =

%

σ x 2π

%  x − x 

  −  2  σ x  ⋅e

*) Grafik krive Gausove funkcije raspodele verovatno #e prikazan je na slici %.%%0.

U upotrebi je "esto normirana funkcija Gausove raspodele verovatno#e, za koju je usvojeno x = 0 i σ x = % , pa je njen analiti"ki oblik: ϕ ( x ) =

%

2π

⋅e

− x

2

2

.

(%.35)

S obzirom na definiciju verovatno#e ova funkcija mora da zadovolji slede#i uslov: ∞

ϕ ( x )dx = % ∫ −∞

(%.36)

odnosno, površina koju normirana funkcija Gausove raspodele zaklapa sa x osom mora da bude jednaka jedinici.

%%6


Verovatno#a da #e neka veli"ina imati vrednost x koja je manja od x% može da se odredi na osnovu slede#eg izraza: x%

∫ −∞

P ( x ≤ x% ) = ϕ ( x )dx

(%.37)

a verovatno#a da #e se vrednost neke slu"ajno promenljive na#i u intervalu x%≤ x ≤ x2 je: x 2

P ( x% ≤ x ≤ x2 ) = ∫ ϕ ( x )dx .

(%.38)

x%

Slika 1.110 - Grafik funkcije krive Gausove raspodele verovatno "e

Vrlo važan pojam vezan za raspodelu slu"ajno poromenljive je fraktil. Naj"eš#e se karakteristi"na vrednost neke slu"ajno promenljive definiše preko fraktila, odnosno na osnovu uslova da samo p procenata svih vrednosti slu"ajno promenljive može da bude manje od karakteristi"ne vrednosti ( x p). Procenat p se naziva fraktilom, a za karakteristi"nu vrednost slu"ajno promenljive se kaže da je odre!ena na osnovu p-procentnog fraktila. Naravno da karakteristi"na vrednost zavisi od izabrane funkcije raspodele i zahtevane vrednosti fraktila, pa u slu"aju Gausove funkcije raspodele verovatno#e može da se odredi iz uslova: x P

∫ −∞

P ( x ≤ x P ) = ϕ ( x )dx = p / %00

(%.39)

gde je p zahtevani fraktil u procentima. Integracijom prethodnog izraza odre!uje se karakteristi"na vrednost posmatrane slu"ajne promenljive u slede#em obliku: x p = x − f ( p ) ⋅ σ x = x (% − f ( p) ⋅V x )

(%.40)

gde je f(p) funkcija koja zavisi od fraktila i definiše udaljenje karakteristi"ne vrednosti od srednje vrednosti odnosno aritmeti"ke sredine. Vrednosti ove funkcije f(p) odre!uju se integracijom izraza (%.39) i date su u tabeli %.22 za naj"eš#e koriš#ene vrednosti fraktila.

%%7


Tablela 1.22 - Vrednosti funkcije f(p) za Gausovu normalnu raspodelu p(%) f(p)

0,5 2,576

%,0

2,326

5,0 %,645

%0,0

%6,0

%,282

%,000

50,0 84,0 90,0 95,0 99,0 99,5 0,000 -%,000 -%,282 -%,645 -2,326 -2,576

Pri odre!ivanju karakteristi"nih vrednosti za efekte dejstava (S ) uobi"ajena je primena 95% fraktila, što zapravo zna"i da samo 5% vrednosti ove slu"ajno promenljive veli"ine mogu da premaše karakteristi"nu vrednost. Na suprot tome, za odre!ivanje karakteristi"ne vrednosti otpornosti ( R) primenjuje se 5% fraktil, odnosno dozvoljava se samo 5% "podba"aja" otpornosti. Na slici %.%%% su prikazane karakteristi"ne vrednosti za 5% fraktil.

Slika 1.111 - Fraktil 5% slu! ajno promenljive x

Stanje sigurnosti konstrukcije odre!eno je zonom u kojoj je razlika otpornosti konstrukcije ( R) i odgovaraju#ih uticaja (S ) u njoj ve#a od nule: Z = R - S > 0.

(%.4%)

Kako su funkcije ϕ ( x R) i ϕ ( xS ) me!usobno nezavisne (slika %.%%2a), to i funkcija sigurnosti ϕ ( x Z ) = ϕ ( x R ) ⋅ ϕ ( xS ) podleže istom zakonu Gausove raspodele verovatno#e i poseduje odgovaraju#e karakteristike x Z , σ Z i V Z . Mogu#nost otkazivanja konstrukcije može se izraziti relacijom (slika %.%%2b): o

P Z = ∫ ϕ ( x Z ) dx Z

(%.42)

−∞

gde je P Z fraktil funkcije ϕ ( x Z ) za x Z = 0 . Srednja vrednost funkcije ϕ ( x Z ) je (slika %.%%2a): x Z = x R − xS

a srednje kvadratno odstupanje:

(%.43)

%%8


σ Z = σ R2

+ σ S 2 .

(%.44)

Indeks sigurnosti β predstavlja broj kojim se množi srednje kvadratno odstupanje (σ Z ) da bi se dobila udaljenost srednje vrednosti x Z od fraktila za x Z = 0 (slika %.%%2b): x Z = β ⋅ σ Z

(%.45)

pa je, imaju#i u vidu izraze (%.43) i (%.44): β =

= x R2 − x S 2 . σ Z σ R + σ S

x Z

(%.46)

Slika 1.112 - a) Krive Gausove verovatno "e za skup uticaja u konstrukciji S i otpornosti kon strukcije R; b) Stanje sigurnosti konstrukcije

Na osnovu vrednosti indeksa sigurnosti β procenjuje se verovatno#a otkazivanja sigurnosti konstrukcije. Kao globalni faktor sigurnosti konstrukcije γ 0 definiše se odnos srednje vrednosti otpornosti ( R) i srednje vrednosti odgovaraju#eg uticaja (S ): γ 0

= x R

xS

(%.47)

Me!utim, mnogo važniji parametar za definisanje sigurnosti konstrukcije je normirani koeficijent sigurnosti (γ ). On se definiše kao odnos usvojenih fraktila otpornosti i efekata koje se javljaju kao posledica dejstava na konstrukciju. U tu svrhu, kako je ve # pomenuto, uobi"ajeno je koriš#enje karakteristi"ne vrednosti optere#enja, odnosno uticaja koja je odre!ena na bazi 95% fraktila ( S k = S 95 ) i karakteristi"ne vrednosti otpornosti koja je odre!ena na bazi 5% fraktila ( Rk = R5 ), pa je: γ =

Rk S k

(%.48)

%%9


to jest, ako se ima u vidu izraz (%.40): γ =

x R − f ( p R ) ⋅ σ R x R % − f ( p R ) ⋅ V R = ⋅ = γ 0 ⋅ % − f ( p R ) ⋅ V R . xS − f ( pS ) ⋅ σ S xS % − f ( pS ) ⋅ V Z % − f ( pS ) ⋅ V Z

(%.49)

Sprovo!enjem matemati"kog postupka koji ovde ne#e biti izložen, a uz pomo # transformacije izraza za σ Z na slede#i na"in: σ Z = σ R2

+ σ S 2 = α R ⋅ σ R − α S ⋅ σ S

(%.50)

gde su α R i α S koeficijenti koji pokazuju koliki je uticaj pojedine slu"ajne promenljive R i S na veli"inu indeksa sigurnosti (β ), dolazi se do izraza za globalni faktor sigurnosti: γ o

= x R = % − β ⋅ α S ⋅ V S . xS % − β ⋅ α R ⋅ V R

(%.5%)

Slika 1.113 - Globalni faktor sigurnosti γ 0

Transformacijom izraza (%.49) i (%.5%) dobija se normirani koeficijent sigurnosti u slede#em obliku: γ =

% − β ⋅ α S ⋅ V S % − f ( p R ) ⋅ V R

= % − β ⋅ α S ⋅ V S ⋅ % − f ( p R ) ⋅ V R = γ S ⋅ γ R % − β ⋅ α R ⋅ V R % − f ( p S ) ⋅ V S % − f ( pS ) ⋅ V S % − β ⋅ α R ⋅ V R ⋅

gde su: γ S = γ R

% − β ⋅ α S ⋅ V S

% − f ( pS ) ⋅ V S

= % − f ( p R ) ⋅ V R % − β ⋅ α R ⋅ V R

parcijalni koeficijent sigurnosti za optere#enje, parcijalni koeficijent sigurnosti za otpornost.

(%.52)

%20


Na ovaj na "in je normirani koeficijent sigurnosti razdvojen na dva parcijalna koeficijenta sigurnosti, a svaki od njih je pridružen odgovaraju#em fraktilu i promenljivoj i me!usobno su nezavisni. Sa ovako razdvojenim koeficijentima sigurnosti dokaz sigurnosti može da se napiše u slede#am obliku: γ S ⋅ S k ≤ Rk / γ R

(%.53)

i može da se protuma"i na slede#i na"in: vrednost bilo kog efekta ( N, V, M, σ , τ , u, v,...) nastalog usled merodavne kombinacije prora"unskih dejstava, treba da je manja ili u krajnjem slu"aju jednaka odgovaraju#oj prora"unskoj vrednosti otpornosti konstrukcije. U okviru dokaza grani"nih stanja, uobi"ajeno je da se konstrukcija dimenzioniše prema kriti"nom grani"nom stanju nosivosti, a ostala mogu#a grani"na stanja nosivosti, grani"no stanje upotrebljivosti i eventualno grani"no stanje s obzirom na zamor materijala, se proveravaju. Provera grani"nih stanja upotrebljivosti podrazumeva dokaz da je ispunjen slede#i uslov: E d ≤ C d

(%.54)

gde je: C d nominalna, propisana vrednost (npr. dopušten ugib, obrtanje ili vibracije) ili funkcija odre!ene karakteristike materijala u zavisnosti od efekta dejstva koji se razmatra, E d efekat odre!en na osnovu merodavne kombinacije prora"unskih dejstava. Spre"avanje dostizanja grani"nog stanja upotrebljivosti obi"no se postiže ograni"avanjem deformacije, pomeranja ili vibracije konstrukcije. S obzirom da se grani"no stanje upotrebljivosti odnosi na servisno optere#enje to je sasvim prirodno da se pri dokazu ovog grani"nog stanja koriste druge, niže vrednosti parcijalnih koeficijenata sigurnosti za optere#enja ( γ S ) i razli"ite kombinacije optere#enja u odnosu na grani"no stanje nosivosti. Prora"un se fakti"ki može podeliti na dva dela, prvi koji obuhvata odre!ivanje efekata u konstrukciji usled merodavne kombinacije dejstava i drugi koji tretira prora"un otpornosti konstrukcije odnosno njenog dela. Odre!ivanje stati"kih uticaja može da se sprovede primenom poznatih metoda teorije konstrukcija. Jedna od prednosti prora"una "eli"nih konstrukcija prema metodi grani"nih stanja jeste "injenica da je sam koncept prora"una nezavisan od na"ina na koji se odre!uju prese"ne sile i otpornost konstrukcije, za razliku od metode dopuštenih napona koja je bila uslovljena primenom teorije elasti"nosti i pri prora"unu prese"nih sila i pri prora"unu otpornosti konstrukcije. Naravno, i dalje je neophodno voditi ra"una da su prora"unski modeli primereni vrsti i nameni konstrukcije, kao i potreba sagledavanja posledica koje primena odre!enog modela u prora"unu može imati na druge aspekte pouzdanosti konstrukcije. U konceptu prora"una prema grani"nim stanjima, bez obzira da li je re" o prora"unu stati"kih uticaja ili otpornosti popre"nog preseka potpuno su ravnopravne elasti"na i plasti"na analiza. Stati"ki uticaji kod stati"ki odre!enih sistema odre!uju se prema teoriji elasti"nosti, dok se kod stati"ki neodre!enih sistema mogu odrediti ili prema teoriji elasti"nosti ili prema teoriji plasti"nosti. Dakle, suštinski postoje tri razli"ite mogu#nosti prora"una koje su prikazane u okviru tabele %.23.

%2 %


Tabela 1.23 - Razli !i te mogu" nosti prora ! una stati !k ih uticaja i otpornosti popre! nog preseka Prora"un stati"kih uticaja (globalna analiza) elasti"na analiza elasti"na analiza plasti"na analiza

Prora"un otpornosti popre "nog preseka (lokalna analiza) elasti"na analiza plasti"na analiza plasti"na analiza

Osim "iste elasti"ne i plasti"ne metode po kojima se i stati"ki uticaji i otpornost po pre"nog preseka odre!uju primenom iste elasti"ne odnosno plasti"ne metode, mogu#a je i primena kombinovane metode koja omogu#ava elasti"nu globalnu i plasti"nu lokalnu analizu. Ove metode su ilustrovane primerima iz tabele %.24. Tabela 1.24 - Razli !i te metode prora! una Prora"un prese"nih sila

Prora"un otpornosti

n a " i t s a l E

n a " i t s a l P

U zavisnosti od veli"ine uticaja deformacije konstrukcije ili njenog dela na vrednosti stati"kih uticaja, a pre svega na unutrašnje sile i napone, sprovodi se analiza konstrukcije

%22


po teoriji I ili II reda. Prora"un po teoriji II reda može da se primeni u svim slu"ajevima, dok je primena prora"una po teoriji I reda uobi"ajeno ograni"ena na konstrukcije kod kojih uticaji drugog reda ne daju zna"ajan doprinos ukupnim naprezanjima (manje od %0%). Kod konstrukcija koje su osetljive na uticaje drugog reda, osim striktne primene teorije II reda, mogu da se koriste i metode koje na indirektan na "in uzimaju u obzir uticaje drugog reda, a zasnovane su na teoriji I reda.

10 SMANJENJE NOSIVOSTI !ELIKA 10.1 ZAMOR 10.1.1 Fenomen zamora i koncepti analize Usled optere#enja "iji se intenzitet višestruko cikli"no menja, može da do!e do loma napregnutog elementa, iako ni u jednom trenutku nije dostignuta stati"ka "vrsto#a materi jala. Ova pojava se naziva zamor materijala. Višedecenijsko graditeljsko iskustvo pokazu je da se veliki broj havarija inženjerskih konstrukcija pripisuje zamoru. Lom izazvan zamorom materijala dešava se u konstrukcijskim elementima mostova, kranova, nosa"a dizalica, platformi, jarbola, dimnjaka, brodova itd. Optere#enja koja mogu da dovedu do loma konstrukcije usled zamora pre svega su saobra#ajna optere#enja ili promenljiva optere#enja usled dejstva vetra, talasa, vibracija, pa i temperaturnih promena. Lom izazvan višestrukim optere#enjem naj"eš#e nastaje na mestu unutrašnje ili spoljašnje greške. Na takvim mestima u konstrukciji, pri naizmeni "nom naprezanju promenljivim optere#enjem dolazi do neravnomerne raspodele napona koja se ogleda u stvaranju jakih lokalnih koncentracija napona. Kako priroda optere#enja ne omogu#ava ostvarenje procesa plastifikacije, to se na ovim mestima redovno javlja mikroskopska prslina, koja se potom širi i izaziva lom. Prelomna površina je karakteristi"na po tome što se prelom poste peno širi oko mikroskopske prsline (koja je zbog svoje uloge nazvana "inicijalna prslina") ostavljaju#i koncentri"ne tragove. Slika %.%%4 predstavlja tipi"an lom usled zamora (krti lom) na mestu inicijalne prsline u jednom zavarenom konstrukcijskom elementu. Na mestima grešaka u materijalu ili zavarenom šavu, gde je poreme #en tok sila, dolazi do koncentracije napona (stvaranja naponskih vrhova). Ukoliko je materijal stati"ki optere#en, a materijal ima plasti"na svojstva, dolazi do preraspodele napona, pa se dijagram napona izravnava. Me!utim, ukoliko je materijal izložen promenljivom, odnosno dinami"kom optere#enju, ne može do#i do dostizanja granice razvla"enja, jer se na mestima gde je prekora"ena otpornost na zamor javlja prslina koja izaziva lom. Zamor materijala predstavlja predmet izu"avanja velikog broja istraživa"a. U svetu je objavljen veliki broj radova iz ove oblasti, a tako!e izveden zavidan broj eksperimenata, "iji su rezultati objavljeni u razli"itim publikacijama. Me!utim, uo"ljivo je da po pojedinim pitanjima postoje odre!ene razlike u mišljenjima izme!u istraživa"a i projektanata. Preporuke za prora"un definisane od strane eksperata su brojne, ali su poneke i me !usobno kontradiktorne. Zato se prora"un konstrukcija na zamor, u zavisnosti od primenjenih propisa, može razlikovati kako u pristupu tako i u numeri"kim vrednostima. Najraniji pristup problemu zamora nalazi se u prvim propisima za železni"ke mostove (Vorschrift für Eisenbahnbrucken iz %922. godine). Rešenje je predstavljalo uvo!enje koeficijenta γ >% kojim se množila najve#a broj"ana vrednost sile u štapu od stalnog i pokret-


%23

nog optere#enja, "ime se problem svodio na problem stati"kog optere#enja. Pojava zavarenih konstrukcija donosi nov pristup rešavanju problema zamora. Uvo!enjem koeficijenta α obuhvata se uticaj pojedinih kategorija spojeva, ali se problem opet svodi na stati"ko optere#enje. Koeficijenat α zavisi od kategorije spoja, njegove obrade, kao i na"ina i podru" ja naprezanja. Ovaj pristup problemu zamora, nazvan α -γ koncept, odba"en je %955. godine kada su za razli"ite odnose r =σ min / σ max i razli"ite kategorije konstrukcijskog oblikovanja usvojeni dopušteni naponi, odnosno trajne otpornosti (trajne ja! ine) na zamor .

Slika 1.114 - Šematski i fotografski prikaz tipi ! nog preloma usled zamora jednog zavarenog konstruktivnog elementa

Rezultati ispitivanja na stvarnim konstrukcijama u eksploataciji, sprovedni u Americi pod rukovodstvom profesora Fišera ( Fisher ), podstakla su istraživanja u oblasti zamora i u evropskim zemljama obuhvataju#i na sasvim nov na"in problematiku tretiranja zamora. Ovaj novi pristup zasniva se pre svega na otpornosti realnih nosa"a i realnih uslova optere#enja. Razlika izme!u ranijeg, klasi"nog pristupa problemu zamora i novog, savremenog pristupa je suštinski. Klasi"nim konceptom zamor se definiše kao pojava smanjene stati"ke "vrsto#e na elementu koji je dovoljno puta izložen promenama napona, dok se savremenim konceptom zamor definiše kao ošte#enje konstrukcijskog elementa usled postepenog širenja prslina koje je uzrokovano u"estalim ponavljanjem napona. Savremeni pristup problematici zamora zastupljen je u evropskom standardu Evrokod 3. Ovaj dokument unificira razli"ite nacionalne standarde i daje algoritam prora"una "eli"nih konstrukcija na zamor, koji je pojednostavljen i prilago!en primeni u konkretnim projektnim zadacima. Parametri koji uti"u na zamor "eli"nih konstrukcija mogu se svrstati u "etiri osnovne kategorije: − naprezanje (naponska razlika, srednji napon, broj ciklusa naponskih promena, zaostali naponi, itd.), − geometrija (konstrukcijska obrada, lokalne koncentracije napona, mali diskontinuiteti, itd.),

%24


− karakteristike primenjenog "eli"nog materijala (σ -ε dijagram, žilavost, mikrostruk-

turalni diskontinuitet, itd.) i − uslovi okoline (korozija, temperatura, itd.). U prvim fazama ispitivanja "eli"nih konstrukcija na zamor uo"eni su, kao najvažniji parametri, uticaji naponskih razlika i srednjeg napona oko koga se ostvaruje oscilovanje, kao i uticaj broja naponskih promena (ciklusa optere#ivanja). Najpre je uo"eno da naponska razlika σ min/σ max i srednji napon σ m uti "u na broj potrebnih optere#enja koji izazivaju lom. Napon σ max koji materijal može da izdrži (teorijski) bezbroj puta, a da ne do!e do loma, nazvan je otpornost na zamor i obeležen sa σ D (dinami"ka ja"ina). Na osnovu tih, prvih opita uspešno je izvršena grafi"ka predstava odnosa naprezanja i broja optere#enja do loma. Dat je odgovor na dva pitanja: − Koje su to vrednosti σ max i σ min koje pri odre!enom broju optere#enja izazivaju lom? − Koji je broj optere#enja potreban da bi pri datom σ max i definisanom odnosu σ max/σ min izazvao lom? Odgovor na prvo pitanje daju dijagrami koji pokazuju zavisnost vrednosti σ max i σ min, koje pri odre!enom broju optere#enja izazivaju lom. Jedan od takvih dijagrama je Smitov (Smith) dijagram, koji na ordinatnoj osi ima vrednosti σ max, a na apcisi su vrednosti srednjeg napona σ m. Kriva dijagrama je tako konstruisana da se sa nje mogu o "itati vrednosti otpornosti na zamor pri "istom naizmeni"nom (σ m=0), "istom jednosmernom (σ min=0), ili bilo kom drugom naprezanju. Na slici %.%%5 je prikazan Smitov dijagram kao grafi"ka predstava otpornosti na zamor konstrukcionog "elika.

Slika 1.115 - Smitov dijagram σ max-σ m

Odgovor na drugo pitanje daje tzv. Velerova (Wöhler ) kriva. Ona predstavlja zavisnost izme!u otpornosti na zamor (σ D) i broja optere#enja N . Na slici %.%%6 prikazana je Velerova linija za obi"nu epruvetu od "elika $036% koja je izložena "istom naizmeni"nom naprezanju. O"igledno je da se sa porastom broja optere #enja smanjuje otpornost na zamor. Svaka Velerova kriva predstavlja relativnu otpornost na zamor (tj. naprezanje koje materi jal može da izdrži ograni"en broj puta pre loma), ali je pra#ena i analiti"kim izrazom kojim se, sa vrednostima o"itanim sa dijagrama, korektno sra"unava otpornost na zamor.


%25

Slika 1.116 - Velerova kriva zavisnosti otpornosti na zamor i broja optere "enja

10.1.2 Dosadašnji koncepti analize zamora Dosadašnji koncepti analize zamora zasnivaju se na metodama prora"una prema dopuštenim naponima trajne otpornosti na zamor σ D,dop, koja je definisana za broj naponskih promena N ≥2x%06 i deterministi"koj filozofiji sigurnosti. Dozvoljeni naponi σ D,dop predstavljaju smanjene dozvoljene napone za stati"ko naprezanje, a u zavisnosti od veli"ine ot pornosti na zamor za razli"ite vrste naprezanja. Na primer, ve#ina propisa za železni"ke mostove u zakovanoj izradi obuhvata zamor uvo!enjem redukcionog koeficijenta γ na slede#i na"in: σ max

≤ σ D ,dop = γ ⋅ σ dop

(%.55)

gde je: σ max maksimalni normalni napon u posmatranom elementu, σ D,dop dopušteni napon za materijal izložen zamoru, σ dop dopušteni napon za osnovni materijal izložen stati"kom optere#enju za prvi slu"aj optere#enja, koeficijent zamora, koji je funkcija odnosa r =σ min / σ max i kvaliteta "elika. γ Kod zavarenih konstrukcija dokaz na zamor ima isti oblik: σ max

≤ σ D,dop

(%.56a)

τ max

≤ τ D,dop

(%.56b)

σ u, max

≤ σ D ,dop

(%.56c)

a σ D,dop je u funkciji efekta zareza, tj. u funkciji konstrukcijskog oblikovanja detalja. Vrednosti dopuštenih napona σ D,dop utvr !ene su na osnovu usvojenih pretpostavki, za koje se danas smatra da su preoštre. Na primer, mala je verovatno #a da #e u zahtevanom veku koriš#enja konstrukcije biti dostignut broj promena optere#enja koji je ve#i od 2x%06, a linije zamora dobijene su isklju"ivo iz rezultata eksperimentalnih ispitivanja epruveta u laboratorijskim uslovima, s konstantnim amplitudama i frekvencijama optere#enja, što se znatno razlikuje od ponašanja realnih konstrukcija u realnim režimima optere#enja, jer su normirana optere#enja uvek nepovoljnija od stvarnih.

%26


Iz izloženog sledi zaklju"ak da je prora"un "eli"nih konstrukcija s obzirom na zamor prema dosadašnjem, klasi"nom konceptu, jednostavan za primenu, jer se svodi na formu stati"kog prora"una sa smanjenjem dopuštenih napona na nivo trajne otpornosti, ali, zbog podloga koje u sebi sadrži, rezultuje dimenzijama koje se nepovoljno odražavaju na utrošak materijala i ukupno koštanje konstrukcije.

10.1.3 Savremen koncept analize zamora U uvodnom razmatranju je napomenuto da je razlika izme!u dosadašnjeg, klasi"nog i savremenog koncepta tretiranja problematike zamora suštinska, a da je nov tretman bio neophodan nakon analize rezultata eksperimenata sprovedenih na realnim konstrukcijama u eksploataciji. Me!utim, taj novi koncept ne bi bio ostvariv bez najnovijih rezultata studi ja iz oblasti mehanike loma o uticaju promenljivih optere#enja na prsline, kao i bez utvr !ivanja novih ra"unskih modela optere#enja koji odgovaraju realnom režimu koriš#enja konstrukcije. Stoga se njegove osnovne karakteristike ogledaju u primeni ra"unskog modela optere#enja koji na probabilisti"koj osnovi uvodi veli"ine i kombinacije optere#enja, utvr!ivanju drugih parametara od uticaja na zamor, novoj kategorizaciji uticaja konstrukcijske obrade zasnovanoj na rezultatima ispitivanja na stvarnim konstrukcijama, a pre svega u upotrebi prora"una prema metodama grani"nih stanja. Suštinska razlika izme!u dosadašnjeg i savremenog koncepta tretiranja zamora ogleda se u parametrima od uticaja na zamor. Dok "klasi"an" koncept zastupa tezu da su najvažni ji parametri vrsta "eli"nog materijala, srednji napon u elementu σ m i odnos r=σ min / σ max i konstrukcijska obrada, to se u savremenom konceptu polazi od teze da su parametri od najve#eg uticaja na zamor stvarna naponska razlika ∆σ , broj naponskih promena N i konstrukcijska obrada, dok su vrsta "eli"nog materijala i odnos grani"nih uticaja r parametri sekundarne važnosti. Naime, na Smitovom dijagramu, na kome je prikazana zavisnost trajne otpornosti na zamor σ D i srednjeg napona σ m za slu"ajeve oštrih zareza i zaostalih na pona (ve#ina zavarenih konstrukcija) uo"ava se da se može konstruisati Velerova linija nezavisno od vrednosti srednjeg napona σ m , odnosno σ m=const. (slika %.%%7). To povla"i za sobom zaklju"ak da je za krivu otpornosti na zamor važna samo naponska razlika ∆σ , što postaje osnova savremenog koncepta prora"una, koji se zato u literaturi naziva ∆σ koncept .

Slika 1.117 - Dijagrami u! estanosti promenljivih naprezanja σ -N

Saglasno osnovnim karakteristikama savremenog koncepta koje su prethodno opisane, osnovne postavke ∆σ koncepta ogledaju se u slede#em:


%27

− Razlika grani"nih napona ∆σ=σmax-σmin je jedino merodavna za odre!ivanje do-

puštenog broja oscilacija napona; − Velerova linija otpornosti na zamor data je u funkciji konstantne amplitude ∆σ i broja oscilacija N . Analiti"ki se može predstaviti kao funkcija N=C ⋅∆σ -m , koja predstavlja logaritamski definisanu pravu odre!enog nagiba m; − Trajna otpornost na zamor zavarenih nosa"a ∆σ D postiže se tek kada je broj naponskih promena ve#i od odgovaraju#eg za osnovni materijal N D>2⋅%06; − Konstrukcijsko rešenje detalja zavarenih nosa"a znatno uti"e na otpornost na zamor. Pri tome najnepovoljnije uti"u mesta na kojima se kombinuju velike koncentracije napona sa velikim zaostalim naponima. Dokaz otpornosti na zamor prema ∆σ konceptu definisan je slede#om relacijom: γ Ff ⋅ ∆σ ≤ ∆σ R / γ Mf .

(%.57)

Dakle, naponsku razliku ∆σ od pokretnog optere#enja uve#anu parcijalnim koeficijentom sigurnosti za optere#enje γ Ff treba uporediti, za izabran broj ponovljenih oscilacija napona N , sa vrednoš#u amplitude ∆σ R dobijene na osnovu Velerove linije za odgovara ju#i konstrukcijski detalj, redukovan odgovaraju#im parcijalnim koeficijentom sigurnosti γ Mf . Velerove linije za razli"ite vrste konstrukcijskih detalja dobijene su eksperimentalnim putem, na osnovu laboratorijskih ispitivanja sa primenjenim optere#enjima konstantnih amplituda oscilovanja. Normirane Velerove linije utvr !ene su na osnovu statisti"ke obrade rezultata opita kao linije 95%-ne verovatno#e neotkazivanja elemenata. Me!utim, u realnim eksploatacionim uslovima gotovo da se nikada ne javljaju oscilaci je napona sa konstantnim amplitudama. Priroda promenljivih optere#enja uvek je stohasti"ka, pa su i amplitude napona i njihove u"estanosti veoma razli"ite. Jedini pouzdan i važan podatak dobijen na osnovu ispitivanja realnih konstrukcija pod dejstvom realnih eks ploatacionih optere#enja jeste taj da je konstrukcija u stanju da podnese ve#i broj oscilacija sa promenljivim amplitudama u odnosu na broj oscilacija sa konstantnim amplitudama. Vremenski redosled amplituda napona tako!e ima uticaj na otpornost na zamor ali se to može zanemariti. Osnovni problem postaje pitanje kako svesti stvarnu otpornost konstrukcija na zamor na neku ekvivalentnu vrednost Velerove linije, s obzirom na to da je stvarna otpornost na zamor funkcija promenljivih naponskih amplituda (∆σi), pri "emu svaka amplituda ima svoju u"estalost (ni). Odgovor na ovo pitanje pružaju tri mogu#a postupka: − Sra"unavanje naponske razlike ekvivalentne konstantne amplitude (∆σ E ) uz zadržavanje stvarnog ukupnog broja naponskih promena (Σ ni); − Sra"unavanje ekvivalentnog broja naponskih promena ( N E ) uz zadržavanje ekstremne maksimalne amplitude (∆σmax) kao merodavne naponske razlike; − Kombinovani postupak uvo!enjem obe ekvivalentne vrednosti (∆σ E , N E ). Da bi se sproveo postupak dokaza na zamor primenom bilo koje od ovih varijanti, neo phodno je raspolagati podacima kojima se rešavaju dva problema: utvr !uje spektar naponskih razlika i utvr !uje pretpostavka za akumulaciju ošte#enja pri zamoru od pojedinih na ponskih razlika i odgovaraju#e u"estanosti. Pri kontroli konstrukcije s obzirom na zamor neophodno je raspolagati, kao polaznim podacima, detaljnim podacima o optere#enju koje prouzrokuje zamor. Pri tome se misli na

%28


komplet reprezentativnih doga!aja optere#enja koji je opisan položajima optere#enja, intenzitetima i relativnim frekvencijama doga!aja. Iz podataka o merodavnim doga!ajima optere#enja (spektar optere#enja) dobija se istorijat naprezanja (zapis promene napona, u odre!enoj ta"ki konstrukcije). Iz dijagrama promene napona u toku eksploatacije σ -t mogu da se odrede pojedine klase naponskih razlika ∆σi i u"estalost njihove pojave, bez obzira na redosled pojave. Za to se koriste specijalne metode "prebrojavanja" naponskih razlika kao što su npr. metoda "kišni tok" ili metoda "rezervoar".

10.1.4 Dokaz otpornosti na zamor prema Evrokodu 3 Problem zamora "eli"nih konstrukcija obra!en je u poglavlju 9 Evorkoda 3. Ovo poglavlje ima karakter opštih pravila jer se po pravilu, dokaz otpornosti na zamor ne zahteva za uobi"ajene konstrukcije u zgradarstvu. Me!utim, ono ipak omogu#ava korektan prora"un manjeg broja elemenata konstrukcija zgrada kod kojih nije zanemarljiv uticaj ponovljenih optere#enja. Prva ta"ka ovog poglavlja definiše elemente konstrukcija u zgradarstvu kod kojih se zahteva dokaz otpornosti na zamor, kao što su: − elementi koji nose ure!aje koji se dižu i kotrljaju; − elementi izloženi naponskim ciklusima koji se ponavljaju, nastali od vibriraju#ih mašina; − elementi izloženi oscilacijama koje su izazvane vetrom; − elementi izloženi oscilacijama koje su izazvane ljudskom navalom. Svrha dokaza na zamor konstrukcije je da se obezbedi, sa prihvatljivim stepenom verovatno#e, da njeno ponašanje ostane zadovoljavaju#e za vreme njenog ra"unskog veka tra janja, tako da se ne može o "ekivati da konstrukcija doživi lom usled zamora ili da zahteva sanaciju zbog ošte#enja koja su prouzrokovana zamorom. Metoda dokaza na zamor primenjena u Evrokodu 3 zasniva se na savremenom konceptu tretiranja problematike zamora, pa se može re#i da je u pitanju ∆σ koncept koji sveobuhvatno tretira parametre od uticaja na zamor, izuzimaju#i samo uslove temperature spoljašnje okoline. Optere#enja koja prouzrokuju zamor definišu se ovim standardom kao komplet re prezentativnih doga!aja optere#enja opisanih položajima optere#enja, intenzitetima i relativnim frekvencijama doga!anja. Optere#enje koje se koristi kod dokaza na zamor - zamor optere"enje je karakteristi"na vrednost koja predstavlja o"ekivano korisno optere#enje za zahtevani ra"unski vek trajanja konstrukcije sa dovoljnom definisanom pouzdanoš#u. Uticaj doga!aja optere#enja treba prikazati njegovim istorijatom naprezanja, tj. dijagramom ili tabelarno predstaviti promenu napona u odre!enoj ta"ki konstrukcije u toku doga!aja optere#enja. Da bi se pri prora"unu obezbedio željeni nivo sigurnosti neophodno je primeniti odgovaraju#e parcijalne koeficijente sigurnosti definisane ovim standardom. Vrlo važan korak u postupku dokaza na zamor predstavlja prora"un naponskih razlika, na osnovu kojih se konstruišu spektri napona na zamor. Napone treba sra"unati primenom elasti"ne analize, pri "emu se, kada je to potrebno, uzima u obzir i dinami"ki odgovor konstrukcije ili udarni efekat. Naponska razlika u osnovnom materijalu može da se odredi ili na osnovu normalnih napona, ili na osnovu geometrijskog napona, u zavisnosti od toga kakav se dokaz otpornosti na zamor sprovodi. Naime, nominalni napon je napon u osnovnom materijalu na mestu potencijalne prsline, sra"unat prema prostoj elasti"noj teoriji otpornosti materijala i ne obuhvata efekte koncentracije napona, dok je geometrijski napon maksimalni glavni napon u

%29


osnovnom materijalu, i neposredno uz ivicu šava, koji obuhvata efekte koncentracije napona usled celokupne geometrije odre!enog detalja konstruisanja. Dokaz sigurnosti na zamor saglasno savremenom konceptu sprovodi se: − preko kumulativnog ošte#enja, pore!enjem proizvedenog ošte#enja sa grani"nim, ili − preko ekvivalentne naponske razlike, koja se poredi sa otpornoš#u na zamor za dati broj naponskih ciklusa. Za dokaz otpornosti na zamor konstrukcijskih detalja koji su dati u tabelama klasifikacije detalja i za koje su konstruisane krive otpornosti na zamor, koristi se nominalna na ponska razlika. Za detalje kojih nema u tabelama ili se razlikuju od klasifikovanih detalja, treba koristiti geometrijsku naponsku razliku. Evrokod 3 klasifikuje detalje za koje su konstruisane krive otpornosti na zamor na: − nezavarene detalje, − zavarene složene preseke, − popre"ne su"eone šavove, − zavarene priklju"ne veze sa nenose#im šavovima, − zavarene spojeve sa nose#im šavovima, − "vorove u rešetkastim nosa"ima od kružnih šupljih profila, − "vorove u rešetkastim nosa"ima od pravougaonih šupljih profila. Krive otpornosti su tako!e konstruisane i za neklasifikovane detalje, kod kojih se primenjuje metoda geometrijskih naponskih razlika. U klasifikacionim tabelama razvrstani su konstrukcijski detalji na osnovu napona duž pravca ozna"enog strelicom za potencijalne prsline po površini osnovnog materijala, ili u slu"aju prslina u šavu. Izvod iz klasifikacione tabele prikazan je u tabeli %.25. Tabela 1.25 - Kategorije detalja nekih zavarenih preseka prema Evrokodu 3 Kategorija detalja

%00

80

7%

Detalji konstruisanja

Opis

Zahtev

Popravka ugaonih ili su"eonih šavova izvedenih ru"no ili automatski

Metode popravljanja koje su adekvatno verifikovane, mogu da povrate prvobitnu kategoriju

Vezni ili pri"vrsni šavovi koji se kasnije ne Isprekidani ugaoni šav sa prekrivaju kontinualnim odnosom g/h<2,5 šavom

Krajevi kontinualnih šavova kod propusnih rupa

Propusne rupe ne puniti navarenim metalom

%30


10.2 KRTI LOM 10.2.1 Mehanizam krtog loma Snižavanjem spoljašnje temperature kod "elika dolazi do smanjenja njegove duktilnosti. Postoji temperaturna granica ispod koje lom "elika nastaje duž površina kristala pro pra#en sa malo ili bez ikakve plasti"ne deformacije, za razliku od klasi"nog loma koji je pra#en znatnim plasti"nim deformacijama. Osnovna karakteristika krtog loma je da nema nikakvih propratnih deformacija, pa se nastale prsline u konstrukciji teško otkrivaju pre rušenja konstrukcije. Zapaženo je da takve prsline nastaju na mestima visokih koncentaracija napona. Naj"eš#e je izvor pukotine greška u zavarenom šavu. U svim slu "ajevima okolina izvora prsline ima gladak izgled, koji se proteže do granice podru" ja podložnog krtom lomu. Podru" je krtog loma je išarano mrežom radijalnih i koncentri"nih linija pomo#u kojih se lako može otkriti po"etak naprsline. Generalno, krti lom nastaje u konstrukciji pri kom binaciji konstruktivnog diskontinuiteta (dejstva zareza) i nepovoljnih uslova kao što su na poni zatezanja. Pojava krtog loma se može izbe#i izborom adekvatnog materijala i stanja koja nisu podložna krtom lomu.

10.2.2 Faktori od uticaja na pojavu krtog loma Pod krtim lomom podrazumeva se pojava brzog širenja pukotina u konstrukciji bez direktne veze sa spoljašnjim optere#enjem. Ovakva pojava je zapažena %886. godine pri pucanju vodovodnih cevi, a zatim rušenje niza mostova u Belgiji i Nema"koj, kao i potapanje oko 200 brodova tipa Liberty (gra!eni u II svetskom ratu). Faktori koji uti"u na krti lom su: − karakteristike osnovnog materijala (ve#i procenat ugljenika, ve#a opasnost od krtog loma), − radna temperatura (niža temperatura, ve#a opasnost), − intenzitet radnog naprezanja (ve#i napon, ve#a opasnost), − debljina elemenata (ve#a debljina, ve#a opasnost), − krutost konstrukcije (ve#a krutost, ve#a opasnost), − vrsta naprezanja u konstrukciji (treba izbegavati stanja sa τ = 0) i − hladna obrada (smanjena plasti"nost, ve#a opasnost). Ustanovljeno je da plasti"ne deformacije mogu nastati samo ako deluju i smi"u#i naponi. U triaksijalnom stanju napona najve#i smi"u#i napon približava se nuli kada se glavna naprezanja približavaju istoj vrednosti, usled "ega u troosnom stanju napona lom "esto nastaje razdvajanjem kristala bez plasti"nih deformacija. Uticaj zareza pove#ava koncentaciju naprezanja u korenu zareza. Popre"na kontrakcija je delimi"no spre"ena susednim manje napregnutim materijalom. Tako se u popre"nom preseku elementa uz podužni napon visokog intenziteta javlja i popre"no naprezanje. Na takav na"in se stvara troosno naponsko stanje u neposrednoj blizini zareza. Geometrijski diskontinuitet stvara sli"na opasna mesta po pojavu krtog loma. Konstrukcije sa neadekvatno rešenim detaljima, kao što je nagla promena popre"nog preseka, dodatni zavareni šavovi u zategnutoj zoni nosa"a, "esto su podložne krtom lomu.


%3 %

10.2.3 Prora#un na krti lom prema Evrokodu 3 U informativnom Aneksu C Evrokoda 3 dat je algoritam prora"una krtog loma. Krti lom je u Evrokodu 3 definisan kao lom konstrukcijskog elementa bez plasti"ne deformaci je, pri "emu na oblik loma uti"u uglavnom klasa "vrsto#e "elika, debljina materijala, brzina nanošenja optere#enja, najniža eksploataciona tempeatura, žilavost materijala i vrsta konstrukcijskog elementa. Kriterijum za zahtevani kvalitet "elika izražava se preko temperature opita pri kojoj udarna energija loma Šarpijeve epruvete ima minimalnu vrednost od 27 J. U dokumentu je dat postupak kojim se odre!uje najniža eksploataciona temperatura za dati kvalitet i debljinu "elika, a u zavisnosti od eksploatacionih uslova, brzine nanošenja optere#enja i posledica loma. Eksploatacioni uslovi su podeljeni u tri kategorije S%, S2 i S3, pri "emu se nepovoljan uticaj gradacijski pove#ava (npr. kategorija S% se odnosi na elemente bez zavarivanja i sa vrlo malim lokalnim naponima). Brzine nanošenja optere#enja su definisane kao kategori je R % (normalno stati"ko ili sporo optere#enje) i R2 (udarno optere#enje). Posledice loma su definisane kao kategorije C% (elementi koji nisu kriti"ni) i C2 (kriti"ni elementi ili spojevi kod kojih bi lom izazvao potpuno rušenje). Prora"un na krti lom se sprovodi na osnovu zahtevane žilavosti pri lomu ( K %c), koja se odre!uje prema slede#em izrazu: K %c = [γ c ⋅ α ]0,55 ⋅ f y% ⋅ t 0,5 / %,226

(%.58)

gde su: parcijalni koeficijent sigurnosti koji zavisi od kategorije posledice loma γ c (za kategoriju C% γ c=%,0, a za kategoriju C2 γ c=%,5), f y% nominalna vrednost granice razvla"enja u funkciji debljine materijala odnosno lima (t ), t % referentna debljina lima t %=% mm, a α = % / [k a

+ k b ⋅ ln(t / t % ) + k c ⋅ (t / t % )0,5 ]

(%.59)

Vrednosti koeficijenata k a , k b i k c definisane su u zavisnosti od kategorije eksploatacionih uslova (S%, S2 i S3). Minimalna eksploataciona temperatura (T min) se odre!uje na slede#i na"in: T min = %,4 ⋅ T cv + 25 + β + (83 − 0,08 ⋅ f y% ) ⋅ k d 0,%7

(%.60)

β = %00 ⋅ (ln K %c

(%.6%)

− 8,06)

gde je: T cv temperatura pri ispitivanju žilavosti Šarpijevim opitom, a k d koeficijent "ija vrednost zavisi od brzine nanošenja optere#enja -3 (k d= %0 za kategoriju R %, a k d= %,0 za kategoriju R2).

%32


10.3 LAMELARNO CEPANJE Lamelarno cepanje je fenomen koji se javlja kod valjanih proizvoda optere#enih upravno na ravan valjanja. Iako zavarivanje nije neophodan uslov da bi se ono pojavilo, u praksi se ovaj fenomen dešava gotovo isklju"ivo kod zavarenih konstrukcija, pogotovu kod debelih šavova koji se izvode iz više zavara (slojevi šava), a gde su elementi koji se spajaju de beli sa zna"ajnim zaostalim naponima. Ovo dovodi do velikih naprezanja i lokalnih deformacija u šavu, što rezultira cepanjem osnovnog materijala, odnosno lamelarnom cepanju. Lamelarno cepanje je posledica pukotina koje se javljaju neposredno ispod zone uticaja to plote u osnovnom materijalu (slika %.%%8). Mehanizam lamelarnog cepanja prikazan je na slici %.%%9 za opšti slu"aj nastajanja i napredovanja prslina u osnovnom materijalu.

Slika 1.118 - Primeri zavarenih spojeva podložnih lamelarnom cepanju

Slika 1.119 - Mehanizam nastajanja i napredovanja procesa lamelarnog cepanja: a) po! etno stanje; b) zona dekohezije; c) zona prslina

metalne konstrukcije budjevac opste 1

Recommend Documents