Nosilne konstrukcije. Nosilne konstrukcije. Nosilne konstrukcije. Obseg predmeta (4 ECTS): predavanja: 30 ur; seminar: 0 ur; vaje: 30 ur.

Transcript

1 Univerza v Ljubljani - Fakulteta za strojništvo KKTS - LASOK Nosilne konstrukcije doc.dr. Boris Jerman, univ.dipl.inž.str. Govorilne ure: objava na vratih pisarna: FS telefon: 01/ boris.jerman@fs.uni-lj.si (Tema/Subject: NK10/ ) Soavtor gradiva: i.prof.dr. Janez Kramar, univ.dipl.inž.str. Univerza v Ljubljani - Fakulteta za strojništvo KKTS - LASOK Nosilne konstrukcije Obseg predmeta (4 ECTS): predavanja: 30 ur; seminar: 0 ur; vaje: 30 ur. Obveznosti: inskripcija; frekvenca (prisotnost); izpit / kolokvija (pozitivno 50%). Vsak se mora sam prijaviti/odjaviti na/z izpit/a. u2 Univerza v Ljubljani - Fakulteta za strojništvo KKTS - LASOK Nosilne konstrukcije Gradivo za študente (prosojnice s predavanj): Gradivo LASOK NK...). Geslo za odpiranje študijskega gradiva! u3 1

2 Uvod Nosilne konstrukcije strojev (in naprav) zajemajo tiste dele strojev, ki omogočajo pravilno razmestitev ostalih sklopov strojev, tem sklopom nudijo ustrezno oporo in se upirajo nastopajočim obremenitvam. Nosilne konstrukcije v veliki meri vplivajo tudi na zunanji izgled stroja. Največkrat jih imenujemo ogrodje stroja. Pri opiranju drugih sklopov se lahko pojavijo velike obremenitve ogrodja. 1 Pomembni vidiki pri snovanju nosilnih elementov stroja/naprave: a) zahtevana varnost (upravljavec in konstrukcija); b) zahtevana funkcionalnost; ) nevarnosti, ki jim bo izpostavljen upravljavec stroja in njegova okolica, vključno z nevarnostim za okolje; 2) mehanske obremenitve, vključno s procesnimi obremenitvami; 3) temperaturne razmere v stroju (napravi) in okolici med montažo, obratovanjem in v času vzdrževanja; 4) skrajna mejna stanja stroja (naprave) in nosilnih elementov (mejna stanja nosilnosti); 5) mejna - še znosna deformabilnost nosilnih elementov (služnostno mejno stanje mejno stanje uporabnosti); 6) lastne frekvence stroja in njegovih delov (npr. nevarnost resonance). 2 Pri snovanju se upošteva sledeče kriterije za dosego vgrajene varnosti in funkcionalnosti: - globalna stabilnost (prevrnitev stroja); - napetostni kriterij; - deformacijski kriterij; - utrujanje; - stabilnost (uklon, izbočenje); - žilavost (krhki lom). 2b 2

3 Kovinska gradiva za NSK Jekla: ogljikova splošna konstrukcijska jekla (0,1 do 0,25 % ogljika in zadosti nizek odstotek žvepla, fosforja in silicija) so osnovna in najbolj pogosto uporabljana gradiva; drobnozrnata nelegirana in nizko legirana jekla so naslednja zelo uveljavljena skupina; nerjavna jekla prevladujejo v kemijski, farmacevtski in živilski industriji ter na področju kriotehnike; jekla za poboljšanje se uporablja za nosilne elemente kot so sorniki, osi, gredi, zobniki itd., kjer je potrebna velika površinska trdota in se jih praviloma ne vari. Aluminijeve zlitine (nekatere) 3 Natezni preizkus -preizkušanci (epruvete); -potek preizkusa; -rezultati preizkusa. Mehanske lastnosti jekla L 0 L p L c L t A 0 A p (1/2) začetna dolžina opazovanega območja; dolžina opazovanega območja ob pretrgu; dolžina valjastega območja; celotna dolžina epruvete; začetni presek preskušanca; presek preskušanca ob pretrgu (najmanjši); Glede na relativno dolžino opazovanega območja (glede na d 0 ) ločimo: L 0 = 10 d 0 dolga "epruveta" L 0 = 5 d 0 kratka evropska "e" L 0 =3,5 d 0 japonska "epruveta" V primeru neokroglih presekov epruvet je merjena dolžina kratke evropske epruvete podana z izrazom: 4 Mehanske lastnosti jekla Trgalni stroj Epruvete okroglega in pravokotnega prereza Simulacija nateznega preizkusa Vir: iskraemeco-lab.si Epruvete po nateznem preizkusu 5 3

4 Mehanske lastnosti jekla (3/3) Oznaka σ prop Točka Opis σ el σ pl σ m σ pret Primer diagrama za plastično (duktilno) jeklo. 6 (1/3) Plastičnost (angl.: ductility) je lastnost nekaterih gradiv (npr. ogljikovih konstrukcijskih jekel), da se deli, obremenjeni preko meje plastičnosti, preden se pretrgajo, plastično deformirajo ( vlečejo ). Plastičnost (duktilnost) merimo na dva načina: a) z relativnim povprečnim trajnim raztezkom (angl.: elongation, nem.: Bruchdehnung). b) z relativnim trajnim zažemkom (angl.: contraction, nem.: Brucheinschnürung). 6 (2/3) Vrednost plastičnosti je odvisna od oblike preizkušanca. Velja: δ ε, 3,5 > δ ε, 5 > δ ε, 10 (Pozornost pri primerjavi podatkov!) Duktilna gradiva imajo raztezek δ ε,5 = 20 % do 50 % in več. Plastičnost je zelo pomembna za nosilne konstrukcije: omogoča prerazdelitev napetosti (ublažitve napetostnih konic) in s tem zmanjšanje potrebe po zelo točnem poznavanju napetostnih konic. 7 4

5 (3/3) Plastičnost je pomembna tudi pri izdelavi (preoblikovanju): pri kovanju, valjanju, upogibanju in vlečenju zadostna plastičnost gradiva preprečuje pojavljanje razpok; plastičnost kovin se praviloma veča z višanjem temperature, zato si pri preoblikovanju pogosto pomagamo z gretjem. POZOR! Ohlajanje gradiva opazno zniža stopnjo plastičnosti materiala. Pri izboru gradiva moramo vedno preveriti, če je pri obratovalni temperaturi gradivo še dovolj plastično. 8 Žilavost (angl.: toughness, nem.: Kerbschlagarbeit) je zmožnost gradiva, da med plastičnim deformiranjem (pred porušitvijo) absorbira energijo. Opredeljena je z energijo na enoto volumna, ki jo absorbira preizkušanec obremenjen do zloma. Specifična absorbirana energija se izračuna po enačbi: (1/3) [Nm/m 3 ] ali [Nm/cm 3 ] Žilavost gradiva je najbolj zaželena lastnost pri konstrukcijah, ki so podvržene sunkovitim obremenitvam (mehanskim udarcem ali termičnim šokom). Plastičnost in žilavost gradiva sta pri mehkem jeklu v dobri korelaciji. 9 Meritve žilavosti (Charpijev preizkus) Izmeri se modul žilavosti in ne energije. Meri se za zlom (krivljenje) porabljeno delo. Delo se deli s presekom preskušanca. Žilavost "ρ se zato podaja v Nm/cm 2 ali kar v J/preskušanec. Standardna epruveta ima kvadratni presek 10 x 10 mm in 2 mm globoko zarezo na natezno obremenjeni stranici. Tipi zarez: Charpy - okrogla zareza, Charpy - ostra zareza, ISO ostra zareza (najbolj uveljavljena), DVM proba, Schnadtova proba. Vira slik: (2/3) Westmoreland Mechanical Testing & Research, Inc. Charpy Impact Testing. Zajeto na: TWI Ltd. Charpy Impact Testing. Zajeto na: Merilna skala Končni položaj Nakovalo Vzorec / epruveta Začetni položaj Kladivo 10 5

6 (3/3) Pri jeklih za nosilne konstrukcije povprečna izmerjena vrednost žilavosti treh preskusov ne sme biti izpod 27 J/epruveto (= 35 J/cm 2 ), pri čemer ne sme noben od rezultatov biti izpod 70 % gornje vrednosti (18,9 J/epruveto oz. 24,5 J/cm 2 ). A=1 cm 2 A=0,8 cm 2 Vir: 11 (Natezna) Trdnost gradiva (angl.: ultimate strength, nem.: Festigkeit) je najvišja napetost, ki jo material še lahko prenese. Največja obremenitev preizkušanca se deli z njegovim začetnim prečnim presekom (točka M na σ ε oz. F- l diagramu). Pri plastičnih materialih je porušna obremenitev (ne porušna napetost) nekoliko nižja od največje (točka U na σ ε diagramu) F l 12 Modul elastičnosti (ang: Young s Module) je definiran za začetni - elastični del σ-ε diagrama. Predstavlja nagib proporcionalnega odseka krivulje.... elastični modul ( enota: MPa = N/mm 2 )... normalna napetost v elastičnem območju... raztezek v elastičnem območju Za vsa ogljikova konstrukcijska jekla je elastični modul zelo blizu vrednosti E = MPa. 13 6

7 Strižni modul je definiran za začetni - elastični del τ γ diagrama. Predstavlja nagib proporcionalnega odseka krivulje.... strižni modul ( enota: MPa = N/mm 2 ) τ γ... strižna napetost... strižna specifična deformacija Običajno se ga določi računsko iz elastičnega modula in faktorja izotropne kontrakcije.... povezava obeh modulov ν... faktor izotropne kontrakcije (Poissonov količnik) Za vsa ogljikova konstrukcijska jekla je faktor kontrakcijeν = 0,3. 14 Klasična konstrukcijska jekla: meja plastičnosti od 185 MPa do 360 MPa natezno trdnost od 370 MPa do 600 MPa. Visokotrdnostna jekla: meja plastičnosti in natezna trdnost mnogo večja; σ-ε diagram je tu ozek in visok ter nima več izrazite meje plastičnosti. razmerje meje plastičnosti proti porušni trdnosti je opazno povečano. Elastični modul, strižni modul ter temperaturni razteznostni koeficient so tudi praktično enaki Napetost [MPa] Diagram za visokotrdnostna jekla (primer) Vrsta Rp 0.1 Rp 0.2 Rm ε-fmax ε-zruš jekla MPa MPa MPa % % visokot ,2 9,5 S235 (227) 235 (445) (16) (22) 0 Diagram za mehko jekla (primer S235) Specifični raztezek ε [%] 16 7

8 Previdnost pri uporabi visokotrdnostnih jekel: material z višjo mejo plastičnosti ni vedno primernejši! material z nizko plastičnostjo (δ ε ) ne more v celoti prerazporejati konic napetosti! kdaj tako jeklo sploh uporabiti? (kjer je lastna teža zelo pomembna in ni pretirano sunkovitih obremenitev: mostovi, veliki tlačni cevovodi, nekatere tlačne posode, avtodvigala ter žerjavi večjih in velikih nosilnosti. zelo skrbno oblikovanje detajlov, če se želi izkoristiti visoko nosilnost (brez večjih zareznih učinkov ter naglih sprememb togosti). 17 Razmerje med mejo plastičnosti in porušno trdnostjo: R eh : R M Nekatera avstenitna jekla, namenjene globokemu vleku: razmerje opazno pod 0,5. Običajna konstrukcijska jekla: razmerje med 0,65 in 0,80. Visokotrdnostna jekla: razmerje preko 0,80 (in se pri ultra visokotrdnostnih jeklih približujejo vrednosti 1,0). 18 Pri določanju dopustnih napetosti je pri viosokotrdnostnih jeklih potrebno upoštevati tudi natezno trdnost: ker je Pri višjem razmerju R eh : R M je lahko dopustna napetost, ki izhaja iz porušne trdnosti nižja od dopustne napetosti, ki izhaja iz meje plastičnosti. 19 8

9 Odvisnost mehanskih lastnosti od temperature Trdnost, meja plastičnosti ter oba modula z naraščanjem temperature padajo (pri konstrukcijskih jeklih za 5 % do 10 % na 100 K). Nad določeno temperaturo te lastnosti zelo naglo padejo - gradivo je tedaj funkcionalno neuporabno. (1/4) 20 (2/4) Odvisnost mehanskih lastnosti od temperature Za jekla, ki se uporabljajo pri povišanih temperaturah, obstajajo podatki o lastnostih pri temperaturah do meje njihove uporabe. Zaradi nevarnosti znižanja nosilnosti konstrukcij med požarom vsebuje standard SIST EN 1993 parametre splošnih konstrukcijskih jekel za konstrukcijo σ-ε krivulj pri povišanih temperaturah do 1200 C, ko je konec vsakršne nosilnosti tovrstnih jekel. Pri projektiranju za temperature, ki so znatno nad ali pod običajnimi temperaturami, je potrebno to odvisnost upoštevati!!! 21 Plastičnost in žilavost jekla naraščata s temperaturo. To naraščanje ni enakomerno, ampak ima pri neki temperaturi izrazit stopničasti prehod (prehodna temperatura T P ). (3/4) T temperatura v K t temperatura v C K2-20 C oz. dogovor Odvisnost modula žilavosti od temperature 22 9

10 Meja med plastičnim in krhkim jeklom je pri žilavosti: (4/4) ρ ISO,V = A V (T) = 27 J/preskušanec = 35 J/cm 2. Z zniževanjem temperature postane prej žilav material nenadoma krhek. Pri ogljikovem konstrukcijskem jeklu pade raztezek ob porušitvi δ ε od običajnih 25 % na vsega 2 do 3 %! Temperaturo, pri kateri žilavost preide zgoraj navedeno mejo, imenujemo prehodno temperaturo (T P ali T 27J ). Prehodna temperatura se lahko tekom življenjske dobe zviša (staranje, gretje, kemijski vplivi, radiacija,...). Krhki lom materiala je izredno nevaren, ker je za lom takega materiala potrebna minimalna energija. Običajna ogljikova konstrukcijska jekla imajo prehodno temperaturo med 253 K in 293 K (med -20 C in 20 C). 23 Odvisnost mehanskih lastnosti od debeline gradiva Zap. št. Debelinsko območje območja debelin za R eh 1 0 mm < t 16 mm 2 16 mm < t 40 mm 3 40 mm < t 63 mm 4 63 mm < t 80 mm 5 80 mm < t 100 mm mm < t 150 mm mm < t 200 mm mm < t 250 mm Zap. št. Debelinsko območje območja debelin za R m 1 0 mm < t < 3 mm 2 3 mm t 100 mm mm < t 150 mm mm < t 250 mm mm < t 400 mm Nominalna meja plastičnosti za najnižji debelinski razred. Za vsak naslednji debelinski razred meja plastičnosti pade za 10 ali 20 MPa. Včasih imata dva sosednja debelinska razreda tudi enako mejo plastičnosti ali trdnost. 24 Mehanske lastnosti jeklenih pločevin: so v ravnini pločevine v smeri valjanja (x-smer) nekoliko višje kot pravokotno na smer valjanja (y-smer); v smeri debeline (z-smer) so znatno nižje (tudi do 40 % in več). Stopnja zmanjšanja je izrazitejša pri debelih pločevinah. velja: 25 10

11 Zmanjšanje meje plastičnosti in trdnosti je problematično pri obremenitvah pločevine pravokotno na ravnino valjanja (zahtevati dodatno garancijo (atest) o tej meji plastičnosti). Dodatna težava pri debelih pločevinah: plastni iztrg slojevitost (ang.: "lamellar tearing", nem.: Terassenbruch). Razlog: vsebnost oksidov in drugih nekovinskih primesi v ingotih (pri nečisti tehnologiji). Zavaljane okside se odkriva z ultrazvočnim pregledom. (Čista tehnologija ni težav.) Neugodna smer obremenitve pločevine, ki odpira zavaljane vzdolžne razpoke. 26 Kadar bi lahko bila pločevina slojevita, se je potrebno izogibati takim spojem. Za tak spoj predpisi zahtevajo ultrazvočni pregled na slojevitost. SIST EN :2005 Projektiranje jeklenih konstrukcij del: Izbira kakovosti jekla glede na žilavost in lamelarni lom opredeljuje način: a) kako se zavarovati proti neželjeni plastovitosti gradiva; b) za izbor pločevine za primer njene obremenjenosti v smeri debeline. Zavarovanje proti neželeni plastovitosti pločevine dosežemo s specifikacijo mehanskih lastnosti (predvsem duktilnosti) v smeri debeline pločevine po SIST EN 10164: Glavne vrste konstrukcijskih jekel Splošna konstrukcijska jekla (1/4) ISO , SIST EN , (JUS C.B0.500: 1989), (DIN 17100). So: - toplo valjana; - nelegirana. Ločimo: - osnovna (BS) in - kvalitetna (QS) ogljikova konstrukcijska jekla

12 Splošna konstrukcijska jekla (2/4) Zanje so predpisane mehanske lastnosti: - natezna trdnost; - meja plastičnosti; - raztezek ob porušitvi; - žilavost (garantirana pri različnih temperaturah). Uporabljajo se za varjene, vijačene in kovičene konstrukcije za: - industrijske in druge stavbe; - mostove; - nosilne konstrukcije žerjavov in dvigal; - nosilne strojne konstrukcije; - druge dele strojev. 29 Splošna konstrukcijska jekla (3/4) Druge lastnosti: - niso za toplotno obdelavo; - se jih da variti (so variva); - imajo garantirano kemično sestavo (0,17 %<C<0,24 %; P<0,035 %, S<0,045 %). Na voljo so kot polizdelki: - pločevina; - ploščato jeklo; - vroče valjani profili (I, H, U, kotni, Z,...); - cevi (okrogle, pravokotne,...); - itd. 30 Splošna konstrukcijska jekla (4/4) Sedem trdnostnih stopenj: - S185, S235, S275, S355, E295, E335, E360. Pet kvalitetnih stopenj: - brez dodatne oznake (žilavost ni garantirana); - osnovna jekla (BS) z dodatno oznako JR (žilavost garantirana pri +20); - kvalitetna jekla (QS) z dodatnimi oznakami J0, J2, K2 (žilavost garantirana pri 0 C, -20 C, -20 C (*) ). Jekla BS in QS: minimalni raztezek ob porušitvi od 17 % do 26 %

13 Drobnozrnata konstrukcijska jekla (1/3) SIST EN in 4:2004 (normalizirana/normalizirana valjana variva drobnozrnata konstrukcijska jekla) SIST EN 10028:2008 in 2009/del 1, del 2 in del 3, (Ploščati jekleni izdelki za tlačne posode) SIST EN 10113:1997/del 1 in del 2 Razveljavljen 2005, (stari: JUS C.B0.502, 1979, DIN , DIN in delno DIN ). So: - popolnoma pomirjena; - drobnozrnata; - rast kristalnih zrn je preprečena s prisotnostjo določenih legirnih elementov (vsak pod 1 %) kot so: Nb (niobij), V (vanadij), Al, Ti, Cr, Ni, Mo, Cu in N (dušik), ki se vežejo v nitrite oz. nitride in karbide; - variva. 32 Drobnozrnata konstrukcijska jekla (2/3) Imajo garantirano kemično sestavo: - vsebnost ogljika: C<0,20 %, - vsebnost žvepla: 0,015<S<0,025 %, - vsebnost fosforja: 0,025<P<0,030 %. Uporabljajo se za: - tlačne posode in cevovode; - nosilne elemente cestnih in tirničnih vozil; - mostove; - druge konstrukcije velikih zahtevnosti. 33 Drobnozrnata konstrukcijska jekla (3/3) Predstavniki so: po SIST EN :2008+A1:2009 (in tudi 3. del) - P275N, P355N in P460N; - P275NH, P355NH in P460NH; - P275NL1, P355NL1 in P460NL1; - P275NL2, P355NL2 in P460NL2; po SIST EN 10025:2004/del 1 in 3: - S275, S355, S420 in S460. Temperaturno območje uporabe: - jekla z oznako P in S (žilavost garantirana do -50 C); - jekla z oznako P (uporaba do +400 C). Minimalni raztezek ob porušitvi za drobnozrnata jekla je od 16 % do 24 %

14 Jekla, odporna proti staranju Lastnosti: garantirana žilavost do 50 o C; meja plastičnosti do +400 o C; mehanske in druge lastnosti se s časom ekploatacije ne spreminjajo bistveno; varivost je zelo dobra (Oblikovanje detajlov!). Namen uporabe: tlačni cevovodi in tlačne posode. 35 Jeklena pločevina za tlačne posode (1/2) (kotelna pločevina) SIST EN 10028/deli 1 do 7, npr.: SIST EN :2008+A1:2009 Ploščati jekleni izdelki za tlačne posode - 1. del: Splošne zahteve (in: SIST EN :2008+A1:2009/AC:2010) SIST EN :2009 Ploščati izdelki iz jekel za tlačne posode - 2. del: Nelegirana in legirana jekla s specificiranimi lastnostmi pri povišanih temperaturah (JUS C.B ), (DIN Razveljavljen in nadomeščen z DIN EN 10028). - so nelegirana in nizkolegirana; - imajo veliko žilavost; Predstavniki: P235GH, P265GH, P295GH, P355GH, 16Mo3, 13CrMo4-5, 10CrMo9-10 in 11CrMo Jeklena pločevina za tlačne posode (2/2) (kotelna pločevina) namen: predvsem za parne kotle in druge vroče tlačne posode mehanske lastnosti garantirane do 400 C (PXXX) in celo do 500 C (druga na prejšnji prosojnici našteta jekla); garantirane so tudi trdnosti lezenja po: urah, urah in urah. - vsebnost ogljika: 0,08 %<C<0,22 % - vsebnost legirnih elementov: 0,3 %<Cr<2,5 %, Ni<0,3 %, Cu <0,3 %, 0,08 %<Mo<1,1 %, Nb<0,01 %, V<0,02 % Ti< 0,03 %. Vsebujejo tudi Mn in Si

15 Nerjavna konstrukcijska jekla (1/6) SIST EN , 2005; SIST EN , 2005; SIST EN , 2005; (JUS C.B0. 600, 1990); (DIN 17441, 1997 razveljavljen in nadomeščen z: DIN EN :2008). Nerjavna jekla po SIST EN vsebujejo: Cr>10,5 % ; C< 1,2 %. Nerjavna jekla se deli na: - feritna (20 različnih standardnih jekel) (se magnetijo); - martenzitna (se magnetijo); - avstenitna (37 različnih standardnih jekel) (se ne magnetijo); - avstenitno-feritna nerjavna jekla. Skoraj vsa nerjavna pločevina je tudi interkristalno odporna. 38 A. Feritna nerjavna jekla vsebujejo največ: 0,025 % do 0,08 % C 0,50 % do 1,50 % Si 0,50 % do 1,50 % Mn 0,03 % do 0,040 % P 0,01 % do 0,015 % S (razen dveh izjem) ter najmanj: 10,5 do 30 % Cr. Drugi možni legirni elementi so še: Mo, Nb, Ni, Ti, Zr, Al Zr... Cirkónij je sijoča sivkasto-bela, trdna prehodna kovina, ki je podobna titanu in je zelo odporna proti koroziji. Uporaba za izdelavo zlitin, odpornih proti koroziji in v jedrskih reaktorjih za absorber nevtronov. Nb... Niobij je kovina svetlo sive bare, mehka in kovna. Uporablja se v proizvodnji korozijsko odpornih jekel. Zlitine s titanom, molibdenom in volframom so odporne na visoke temperature. (2/6) 39 B. Martenzitna nerjavna jekla (3/6) Vsebujejo: največ 1,2 % C; Si, Mn, S in P v podobnih količinah kot feritna nerjavna jekla. Glavni legirni element: 11,5 % < Cr < 19,0 %. Ostali legirni elementi: Cu, Mo, Nb (niobij), Ni,V (vanadij), Al. Meja plastičnosti do 800 MPa. Natezna trdnost do 1100 MPa. Raztezek pri porušitvi le redko preko 12 %

16 (4/6) C. Austenitna nerjavna jekla Vsebujejo največ: 0,015 do 0,15 % C, 0,5 do 4,5 % Si, 1 do 10,5 % Mn, 0,025 do 0,045 % P, (večinoma) do 0,015 % S. Glavna legirna elementa sta: Cr (16 do 28 %), Ni (3,5 do 32 %). Ostali legirni elementi: Cu, Mo, Nb (niobij), Ti. 41 (5/6) C. Austenitna nerjavna jekla Meja plastičnosti: Natezna trdnost: med 190 in 350 MPa; med 470 in 950 MP; Odlično razmerje: s ReH /s m =0,37 do 0,40; Raztezek ob porušitvi je visok: >35 % (pa tudi 45 %). Najmanjša žilavost toplotno valjane avstenitne nerjavne pločevine presega 90 J. 42 Označevanje nerjavnih jekel: po SIST EN :2005: imajo na prvem mestu črko X; navedeni so tudi glavni legirni elementi. Nekateri predstavniki feritnih nerjavnih jekel: X2CrNi12 X2CrTi12 X6CrNiTi12 X6Cr13 X6CrAl13 X6CrTi12 Nekateri predstavniki austenitnih jekel X10CrNi18-8 X2CrNiN18-7 X2CrNi18-9 X2CrNi Posebne oznake podajajo stanje površine pločevine. (6/6) 43 16

17 Jekla s povečano korozijsko odpornostjo v atmosferi SIST EN , 1998 Konstrukcijska jekla z izboljšano atmosfersko korozijsko obstojnostjo - Tehnični dobavni pogoji (Razveljavljen 01-jan-2005 in nenadomeščen.) Jekla za poboljšanje SIST EN :2006 Jekla za poboljšanje - 1. del: Splošni tehnični dobavni pogoji SIST EN :2006 Jekla za poboljšanje - 2. del: Tehnični dobavni pogoji za nelegirana jekla SIST EN :2006 Jekla za poboljšanje - 3. del: Tehnični dobavni pogoji za legirana jekla (in: SIST EN :2006/AC:2008) 44 Izbor primerno kvalitetnega splošnega konstrukcijskega jekla po kriteriju žilavosti Da sezagotovi varnost proti krhkemu lomu, je potrebno izbrati kvaliteto jekla glede na obratovalne okoliščine. Pri izboru je potrebno upoštevati naslednje vplive: A) Kombiniran vpli nateznih napetosti s strani stalnih obremenitev ter zaostalih napetosti (zaradi varjenja) s koeficientom Z A ; B) Debelina nosilnega elementa s koeficientom Z B ; C) Obratovalna temperatura in temperatura montaže s koeficientom Z C. 45 Vplivni koeficient Z A σ G... Natezne napetosti vsled trajnih obremenitev σ a... Dopustna natezna napetost, določena glede na mejo plastičnosti I, II, III... skupine oz. vplivne linije 46 17

18 Vplivni koeficient Z A σ G... Natezne napetosti vsled trajnih obremenitev σ a... Dopustna natezna napetost, določena glede na mejo plastičnosti 47 Vplivni koeficient Z B 48 Vplivni koeficient Z C 49 18

19 Določitev koeficienta Z in primerne kvalitete jekla Z = Z A + Z B + Z C Pri : Z 2 jekla 1. kvalitetne skupine (brez garancije žilavosti) 2 < Z 4 jekla 2. kvalitetne skupine (JR) 4 < Z 8 jekla 3. kvalitetne skupine (J0) 8 < Z 16 jekla 4. kvalitetne skupine (J2, K2) 50 Primer - podatki splošno konstrukcijsko jeklo S235; stalna natezna napetost 80 MPa ; prisotno je kopičenje zvarov; debelina pločevine t=18 mm; temperatura obratovanja T -35 O C. 51 Primer - izračun Za navedene pogoje torej zadostuje jeklo S235J0, ki ima garantirano žilavost pri temperaturi 0 C, čeprav obratovalna temperatura pade do 35 C

20 Univerza v Ljubljani - Fakulteta za strojništvo KKTS - LASOK Nosilne konstrukcije 2. del: Vijačni spoji doc.dr. Boris Jerman, univ.dipl.inž.str. Govorilne ure: pisarna: FS telefon: 01/ boris.jerman@fs.uni-lj.si (Tema/Subject: NK -...) (So)avtor gradiva: i.prof.dr. Janez Kramar, univ.dipl.inž.str. D I M E N Z I O N I R A N J E V I J A Č N I H S P O J E V Z vijačnimi spoji se praviloma spaja dva ločeno izdelana elementa v razstavljivo zvezo. Vijačni spoji se uporabljajo: tam, kjer morajo biti posamezni sklopi medsebojno ločljivi; kadar se na terenu sestavlja velike sklope in bi bila nenatančnost končnega izdelka zaradi skrčkov med varjenjem na terenu prevelika. Vijačni spoji so v primerjavi z varjenimi spoji dražji in manj togi in mnogokrat manj nosilni. 2 D e l i t e v s p o j n i h e l e m e n t o v Vijaki glede na trdnostni razred: običajni vijaki iz jekla trdnostnih razredov: 4.6; 4.8; 5.6; 5.8 in 6.8. visokotrdnostni vijaki so izdelani iz jekla trdnostnih razredov: 8.8; 10.9 in (Za nosilne konstrukcije se največ uporablja trdnostni razred ) Trdnostni razred 1) f yb [MPa] f ub [MPa] )... pomen oznake trdnostnega razreda 3 20

21 Vijaki glede na točnost obdelave: grobi vijaki (1 mm d 3 mm)*; fini vijaki (0,3 mm d 1 mm); prilagodni vijaki ( d<<< in definirana z ujemom); * imenska zračnost d nom pri standardnih luknjah naj bo: 1 mm za vijake M12 in M14 2 mm za vijake M16 do M24 3 mm za vijake M27 in večje Vijaki glede na izvedbo matice: matični vijaki potrebujejo serijsko izdelano matico s podložko (razne vrste matic); nematični vijaki potrebujejo vrezan navoj v izvrtini enega od spajanih delov. 4 D e l i t e v v i j a č n i h s p o j e v Delitev vijačnih spojev po medsebojni legi spajanih elementov: soležni spoji; khsl.blogspo t.com/2008/ 04/blogpost.html nanddavis.com/b log/tag/steelframe/ ac.uk/civ/portsqua/30 august.html 5a D e l i t e v v i j a č n i h s p o j e v Delitev vijačnih spojev po medsebojni legi spajanih elementov: T-spoj Y-spoj e.com/sse F1/shapes.s html. 5b 21

22 D e l i t e v v i j a č n i h s p o j e v Delitev vijačnih spojev po medsebojni legi spajanih elementov: N-spoj 5c om/en/reference/teachingresources/architectural-teachingresource/elements/structural-steeltrusses/joints ekturne_znamenitosti=4209&lng=1 D e l i t e v v i j a č n i h s p o j e v Delitev vijačnih spojev po medsebojni legi spajanih elementov: Križni/X spoj mod=articles&id=106 5d ns.com/beamclampvs-traditional K-spoj s&id=106 D e l i t e v v i j a č n i h s p o j e v Delitev po toku obremenitev od prvega do drugega elementa: prekrivni spoji; Preloaded_Bolting.png 5e zaplatni spoji; /joints_ii_bolted_2038.htm prirobični spoji; mešani spoji. e.com/imag es/flangewi thstudboltsi solated.jpg /requirement s.shtml hsl.blogspot.c om/2008/04/b log-post.html 22

23 Delitev po prenosu obremenitev glede na vijak: - natezni spoji (NS); - strižni spoji (SS); - strižni spoji s prilagodnimi vijaki (SST); - torni spoji v izvedbi z običajnimi prednapetimi visokotrdnostnimi vijaki (TS); - torni spoji v izvedbi s prilagodnimi prednapetimi visokotrdnostnimi vijaki (TST). Delitev po prednapetosti vijakov: - spoji brez prednapetja vijakov; - spoji z delnim prednapetjem vijakov; - spoji s polno prednapetimi vijaki (izvedljivi samo z visokotrdnostnimi vijaki). 6 Dopustne obremenitve vijakov nosilnih konstrukcij Dopustne napetosti, kadar ni polnega prednapetja 7 Nosilni presek vijaka 8 23

24 Dopustne obremenitve na en vijak Natezna dopustna sila na en vijak v nateznih spojih brez prednapetja Izhaja se iz dopustne natezne napetosti ter ustreznega prereza:... preko navoja se upošteva napetostni prerez... preko stebla se upošteva prerez stebla 9 Natezna dopustna sila na en vijak v NS s prednapetjem Obremenitve Statične obremenitve Statične + dinamične obremenitve Glavne obremenitve ( I ) Glavne in dodatne obremenitve ( II ) 10 d [mm] P [mm] [mm 2 ] F p [kn] M p [Nm] k = 0,16 2) M6 1 20,1 12,7 M7 1 28,9 18,2 M8 1,25 36,6 23,1 M9 1,25 48,1 30,3 M10 1,5 58,0 36,5 M11 1,5 72,3 45,5 M 12 1,75 84, M14 2,0 115,4 73 M 16 2, M18 2, M 20 2, M 22 2, M 24 3, M 27 3, M 30 3, M 33 3, M 36 4, Tabela velja za VV kvalitete 10.9 Glej tudi pojasnilo na sledeči prosojnici! 11 24

25 Natezne napetosti vijak je prednapet in neobremenjen Natezne napetosti vijak je prednapet in obremenjen z največjo zunanjo natezno obremenitvijo 11b Opomba: Tabela velja za VV kvalitete b 2) Koeficient k za izračun momenta prednapetja 11c 25

26 Strižna dopustna sila na en vijak in eno strižno ploskev v SS Tu se izhaja iz dopustne strižne napetosti vijaka in dopustnega površinskega pritiska spajanega gradiva: Enačbi veljata za eno strižno ploskev vijaka! Strigu preko navoja se je potrebno izogibati! 12 Dopustni pritisk na bok izvrtine Gradivo spajanih elementov Vrsta vijakov Velikost sile prednapetja S 235 S 355 Obremenitveni Slučaj Obremenitveni Slučaj I I I I I I Grobi vijaki 0 F p ,5 F p ,0 F p Vijaki s točnim naleganjem 0 F p ,5 F p ,0 F p Dopustna sila na en prednapeti vijak in eno torno ploskev v TS Način čiščenja in zaščite stičnih površin Koef. trenja µ S kvarčnim peskom neposredno pred 0,5 vgradnjo, sicer zaščita z aluminijevim pršilom (spray) ali metalnim pršilom na bazi cinka (potreben atest o koef. trenja). S kvarčnim peskom in zaščitena z alkalnim cinkovim silikatom (nanos µm) 0,4 S plamenom ali z žično ščetko 0,3 Brez čiščenja 0,

27 Varnostni faktor d = D d I I I Pretežno statična obremenitev (stavbe, podesti, strehe,...) statična + dinamična obremenitev (mostovi, žerjavi,...) 1,25 1,10 1,60 1,40 1,40 1,25 15 Dopustna sila na en prednapeti vijak in eno torno ploskev v kombiniranem NS in TS spoju F t... natezna sila na opazovani vijak 16 P r i r o b i č n i s p o j i Prirobični spoji se pogosto uporabljajo: pri sočelnem spajanju enoosnih nosilnih elementov, predvsem manjših prerezov; pri T in križnih spojih manjših in večjih prerezov; pri spajanju delov ohišja različnih strojev in naprav; pri sočelnem spajanju gredi; pri sočelnem spajanju tlačnih cevovodov; pri spajanju dveh delov raznih tlačnih posod;.... Vseh šest komponent obremenitvenega vektorja: { N, T y, T z, M t, M y in M z } 17 27

28 Sočelno spajanje enoosnih nosilnih elementov manjših presekov Uporaba polnih prirobnic. Vijaki so lahko v dveh vrstah znotraj gabaritov profila (B1 in B2) ali pa so v treh vrstah tako, da je natezna pasnica obdana z vijaki tudi z zunanje strani (A1 in A2). 18 Sočelno spajanje enoosnih nosilnih elementov manjših presekov Vrsta spoja Najmanjša debelina prirobnice t premer VV vijaka 18a1 Sočelno spajanje enoosnih nosilnih elementov manjših presekov Položaj reber na priključnem profilu 18a2 28

29 Sočelno spajanje enoosnih nosilnih elementov manjših presekov (1/2) Primer slednjega spoja je spoj (A2) dveh širokopasničnih I profilov: n t... celotno št. vijakov ob natezni pasnici h s... srednja razdalja med pasnicama Pogoji veljavnosti: vsi vijaki enaki; obremenitev le M y in T z (na skicah M in Q). Komentarji: tlak je v ozki okolici tlačne pasnice; pri natezni pasnici bi bili zunanji vijaki bolj obremenjeni, če ne bi bila prirobnica na zunanji strani bolj podajna. 18b Sočelno spajanje enoosnih nosilnih elementov manjših presekov (2/2) Če stojijo pri spoju (A2) krajno bočni vijaki že rahlo izven pasnic, se predpostavi nekoliko slabši prevzem obremenitev (k<1). V spodnji enačbi so upoštevani štirje taki vijaki: k 0,8 Kadar je ob natezni pasnici le notranja vrsta vijakov (B2), je h s definiran drugače, obremenitev pa slabše prevzemata le dva robna natezna vijaka: h s... razdalja med srednicama tlačne pasnice in vrste nateznih vijakov Upošteva se, kot da strig zaradi prečne sile T z prevzamejo vijaki v tlačni coni spoja. 18c Sočelno spajanje enoosnih nosilnih elementov velikih zaprtih presekov (1/2) z Primer je prirobični spoj dveh škatlastih profilov, kjer je ena vrsta vijakov na zunanji in ena vrsta na notranji strani. y 19 29

30 Sočelno spajanje enoosnih nosilnih elementov velikih zaprtih presekov (2/2) Prirobice v obliki zvarjenega traku vzdolž celotnega obsega zaprtega prereza. Primer je spoj dveh škatlastih profilov, kjer je ena vrsta vijakov na zunanji in ena vrsta na notranji strani. Pogoji veljavnosti: vsi vijaki enaki; obremenitve: vseh 6 prostosti. (v enačbi upoštevano, da 4 zunanji vogalni vijaki ne nosijo nič.) Tlačna osna sila se ne upošteva, ker se prenaša neposredno preko tlaka med prirobnicama. 19 Prevzem strižne sile T y(z) poteka preko vijakov, ki so razporejeni vzdolž obeh pasnic (stojin) s tem, da se zunanjih in notranjih vogalnih vijakov ne upošteva: n y(z)... skupno število vijakov, ki so razporejeni zunaj in znotraj vzdolž obeh pasnic (stojin). V enačbah upoštevano, da 4 zunanji in 4 notranji vogalni vijaki ne prevzemajo nič obremenitve (glej potek strižnih napetosti). 20 Prevzem torzijskega momenta M t Predpostavi se, da polovico torzijskega momenta prevzamejo vijaki ob pasnicah in polovico ob stojinah: n y(z)... skupno število vijakov, ki so razporejeni zunaj in znotraj vzdolž obeh pasnic (stojin)

31 Prevzem upogibnega momenta M y Predpostavi se, da nosijo vsi vijaki (natezni in tlačni) in da je nevtralna os simetralna y os prereza. Predpostavka je enostavnejša in na varni strani. Hkrati se predpostavi, da je sila, ki jo prevzame posamezni (i-ti) vijak, premo sorazmerna njegovi oddaljenosti (z i ) od y osi. z i i z y k i... zmanjševalni faktor, ki upošteva zmanjšano prevzemanje obremenitve 22 Obremenitveni moment je enak momentu, ki ga ustvarijo sile vseh vijakov: Ko se vstavi enačba za F My,i (glej prejšnjo prosojnico), dobimo: Od tu se izrazi sila v najbolj obremenjenem vijaku: 23 Vrednost sile v posameznem (i-tem) vijaku (če v enačbo vstavimo izpeljano formulo za F My,max : Zmanjševalni faktor k i je za zunanje vogalne vijake do 0,5, za ostale je 1. 23b 31

32 Prevzem upogibnega momenta M z (analogen prevzemu M y ) Sila v najbolj obremenjenem vijaku: Vrednost sile v posameznem (i-tem) vijaku: Zmanjševalni faktor k i je za zunanje vogalne vijake do 0,5, za ostale je 1. 23c Ko so izvrednotene vse komponente sil na posameznih vijakih, je potrebno izračunati največjo natezno (F t ) in največjo strižno (F v ) silo v vijakih. Pomen indeksov: V... vogalni vijak, P... prvi sosednji pasnični vijak tik ob zunanjem vogalnem, S... prvi sosednji stojinski vijak tik ob zunanjem vogalnem

33 Dodatni kombinacijski kriterij, ki ga je potrebno preveriti: (a) pri znatnih prečnih silah v vijakih ali (b) kadar gre strižni prerez skozi navojnico, (a) (kombinacija napetosti na steblu) (b) (kombinacija napetosti na navoju) v... strig t... nateg st... v steblu vijaka A j... preko navoja vijaka Podani kriteriji se smiselno uporabljajo tudi v primeru polno prednapetih spojev. 26 (a) (b) ( ) ( ) 27 (elastično tesnilo)

34 Navojna palica z dvema maticama in vijak s šestrobo glavo in. ( ) ud-bolts_for-flanged-connections.html 28 Uporabljeni so neustrezno dolgi vijaki. ( ) ud-bolts_for-flanged-connections.html 28 Zaplatni soležni spoj dveh I-profilov a) obojestranski zaplatni spoj stojine b) b) enostranska zaplatna spoja pasnic ( )

35 Prirobični vijačni spoj: a) levo: dveh nosilcev različnih višin b) nosilca in stebra V obeh primerih lepo vidna rebra, ki odločilno povečujejo togost spojev ( ) 28 Prostorski vijačni spoj stebra in dveh nosilcev a) upogibno togi spoj b) členkasto delujoč spoj ( ) 28 Univerza v Ljubljani - Fakulteta za strojništvo KKTS - LASOK 35