Acélszerkezetek 1. előadás 2012.02.10.
Az acél jellemzői Az acél a vas legfontosabb ötvözete, fő ötvözője a szén, mely 2,11 tömegszázalékot tartalmaz. Az acél olyan vasalapú ötvözet, melyet képlékeny átalakítással lehet megmunkálni (kovácsolás, hengerelés, stb.).
Az acél jellemzői Különböző fajta és mennyiségű ötvözőkkel az acél olyan tulajdonságait lehet megváltoztatni, mint a keménység, rugalmasság, hajlékonyság, szilárdság, hőállóság, savállóság, korroziómentesség. A vas 1538 C-on, az acél széntartalmától függően ennél kisebb hőmérsékleten olvad. Ezeket a hőmérsékleteket többé-kevésbé már az ókori technológiai módszerekkel el lehetett érni, ezért a vasat legalább 6000 éve használják (a bronzkorszaktól kezdve).
Acélgyártás Az acél az ipar egyik legfontosabb anyaga, előállításával az acélkohászat foglalkozik. Az acélgyártás kiinduló anyaga a nyersvas és az ócskavas. Ahhoz, hogy a nyersvasból acél legyen, annak fölösleges kísérőelemeit (C-, Si-, Mn-, P- és S-tartalmát) el kell távolítani. Ez úgy történik, hogy a megolvasztott fémbetétből kiégetik a káros elemeket, ötvözik hasznos elemekkel, majd a folyékony acélt kokillába vagy folyamatos öntőgépbe öntik és kristályosítják.
Acélgyártás története Az acélgyártás története azonos a vasgyártás történetével. Az első használatos vastárgyak feltehetőleg meteoritvasból készültek. Első vaskohók: kis gödrök, melyekben a vasércet faszénnel izzították. A fejlődés során a gödrök agyagbélést kaptak, majd a kemencék tovább nőttek. Később bőrtömlős levegőbefúvásról gondoskodtak buckakemencéknagyolvasztók, vízkerekes fújtatás magasabb hőmérsékletridegség.
Acélgyártás története Ridegség és kovácsolhatatlanság miatt új módszer frisstűzi acélgyártás, mely során a nyersvas kísérő elemeit faszénnel fűtött kemencében, oxigénben dús atmoszférában égették ki. A tégelyacélgyártást 1740-ben találta fel Benjamin Huntsman. A nyersvasat fedett tégelyben olvasztották, a szükséges hőmennyiséget faszén-, koksz-, később gáztüzeléssel biztosították. Ezzel a módszerrel kezdődött az ötvözött acélok gyártása.
Acélgyártás története A kavaró acélgyártási eljárást Henry Cort szabadalmaztatta 1784-ben. Lángkemencét használtak, az olvadt nyersvas csak a kőszén elégetéséből származó, oxigénben dús füstgázzal érintkezett. Az eljárást a szélfrissítéses (Bessemer- és Thomaskonverteres) és a Siemens-Martineljárás szorította ki a 19. század közepén.
Acélgyártás története A Bessemer-féle szélfrissítéses eljárást 1855-ben szabadalmaztatta Henry Bessemer. A módszer lényege az, hogy a folyékony nyersvasat egy körte formájú konverterbe öntik, és a nyersvasrétegen alulról levegő fújtatnak át. A levegő oxigénje hatására kiég a szén, a szilícium és a mangán.
Acélgyártás története A Thomas-módszer Sidney Gilchrist Thomas nevéhez fűződik (1878). Az eljárás során alkalmazott konverter szerkezete hasonló a Bessemeréhez, de falazatát bázikus (magnezit és dolomit) tűzálló téglákból építették. Ennek révén az eljárás alkalmassá vált a betét foszfortartalmának csökkentésére is.
Acélgyártás története A Siemens-Martin-eljárást az Émile Martin és Pierre Martin testvérpár szabadalmaztatta 1864-ben. A módszer lehetővé teszi folyékony nyersvas és ócskavas felhasználását is, de akár szilárd betéttel is lehetett indulni. Lehetővé tette igen változatos ötvözöttségű acélok gyártását. A gyártási folyamat két lépcsőből áll: egy frissítő (oxidáló) és egy kikészítő (redukáló) szakaszból (ahol az oxidálódott vas visszaredukálását végzik).
Acélgyártás napjainkban A konverteres acélgyártási módszerek közül mára az oxigénbefúvásos módszer maradt meg, (LDeljárás). Az oxigénbefúvás felülről történik. Az LD-konverter acéllemez köpenyből és tűzálló bélésből áll. A konverterüzem során keletkező gázok és por teljesen elfedi a konverter száját, így a konverter gyakorlatilag zárttá válik.
Acélgyártás napjainkban A II.világháború után a kemencetípus újabb fejlődésnek indult, és megjelentek a nagy teljesítményű HP illetve UHP ívkemencék. Az ívkemencék mellett használatosak még az indukciós és ellenálláskemencék is. Az ívfényes kemence kiinduló anyaga általában hulladékacél, esetleg vasszivacs és fémesített pellet, ritkán nyersvas.
Acélgyártás napjainkban Az acélgyártás utolsó mozzanata az előállított folyékony acél leöntése, kristályosítása. Az öntési módszereket az határozza meg, hogy a megszilárdult acélt a továbbiakban valamilyen képlékeny alakító művelettel (hengereléssel, kovácsolással stb.) alakítják. Az acélt alapvetően kétféle módon öntik: kokillába, folyamatos módszerrel. A kokillába öntés mára erősen visszaszorult, az acél jelentős részét folyamatos öntéssel kristályosítják. Kokillába a kovácsolásra, csőhengerlésre szánt tuskókat, a különleges acélminőségeket öntik.
Kokillák acéltuskó öntéséhez
Folyamatosan öntött szálak és acélbugák
Acélok csoportosítása Gyártási eljárás szerint: (SM acélok, Siemens-Martin) (B T acélok, Bessemer-Thomas) Oxigén konverteres acélok Vákuumozott acélok Elektroacélok Átolvasztott acélok
Acélok csoportosítása Összetétel szerint: Szénacélok v. ötvözetlen acélok: Mn < 0,8 %, Si < 0,5 %, P, S, Cr, Ni, Nb, V Gyengén ötvözött acélok: S ötvöző < 5 % Ötvözött acélok: 5 % S ötvöző 20 % Erősen ötvözött acélok: S ötvöző 20 % Max. 55 % ötvözésig beszélünk acélról
Acélok csoportosítása Felhasználás szerint: Szerkezeti acélok ( C = 0. 0,6 % ) Szerszám acélok ( C = 0,4. 2,1 % ) Különleges acélok ( vasötvözet, ha S ötv. <55 % ) Hő- és korrózióálló acélok Nem mágnesezhető acélok Kopásálló acélok Stb.
ACÉLSZERKEZETEK TERVEZÉSE Az MSZ az 1949-es évekig a megengedett feszültséges eljárást használta. Az állandó illetve esetleges terheket várható értékükkel vette figyelembe. 1951-től kezdve az új szabályzatok már az osztott biztonsági tényezős méretezési eljárást alkalmazzák. A terhek várható értékét biztonsági tényezővel felszorzott értékével kellett figyelembe venni.
ACÉLSZERKEZETEK TERVEZÉSE A nemrég bevezetett Eurocode szintén osztott biztonsági tényezős méretezési eljárást használ. A Magyar Szabvány követelményei a nyomatéki teherbírás tekintetében 1949/1951-től megfelelnek az Eurocode követelményeinek. Nyírási teherbírás tekintetében a 2000. évi módosítást követően felelt meg az MSZ az Eurocode követelményeinek.
Eurocode - MSZ EN199x Eurocode 1: A tartószerkezeteket érő hatások Eurocode 2: Betonszerkezetek tervezése Eurocode 3: Acélszerkezetek tervezése Eurocode 4: Acél és beton kompozit szerkezetek tervezése Eurocode 5: Faszerkezetek tervezése Eurocode 6: Falazott szerkezetek tervezése Eurocode 7: Geotechnikai tervezés Eurocode 8: Tartószerkezetek földrengésállóságának tervezése Eurocode 9: Alumíniumszerkezetek tervezése
Eurocode3 EN 1993-1 Általános és az épületekre vonatkozó szabályok EN 1993-2 Acélhidak EN1993-3 Tornyok, antennatornyok, kémények EN 1993-4 Silók, tartályok, csővezetékek EN 1993-5 Acélcölöpök EN1993-6 Daru megtámasztó szerkezetek
Feltételezések (MSZ EN 1990) A szerkezetet megfelelően képzett és tapasztalt személyek tervezik. Megfelelő minőség-ellenőrzés van a gyárban, az építési helyszínen. Az építést megfelelő szaktudással, tapasztalattal rendelkező személyek végzik. Az építőanyagok és termékek megfelelnek az Eurocode-nak, vagy a vonatkozó anyag-, ill. termékspecifikációnak. A szerkezetet megfelelő módon fenntartják. A szerkezetet rendeltetésszerűen használják.
Acélszerkezetek méretezési elvei A méretezés parciális biztonsági tényezős méretezési eljáráson alapul, melynek jellegzetességei: Teheroldalon és ellenállásoldalon alkalmazunk biztonsági tényezőket, melyek különböző értékeket vehetnek fel és kombinálódhatnak, A vizsgálatok határállapotokra vonatkoznak, melyeket különböző tervezési állapotokban vizsgálunk, A számításokban szereplő egyes mennyiségek valószínűségi változókként vannak definiálva, melyeket eloszlásfüggvényük jellegzetes pontjai szerint reprezentatív értékek írnak le.
Határállapotok Határállapotnak tekintünk minden olyan állapotot, amelyen túl a szerkezet nem alkalmas azoknak a követelményeknek a teljesítésére, amelyek az adott határállapothoz tartoznak. Teherbírási határállapot jellemzi a tartószerkezetek tönkremenetelét, míg használhatósági határállapot írja le a használatra való alkalmasság megszűnésével összefüggő korlátozást.
Reprezentatív értékek Ellenőrzés: E d R d E d R d állapotjellemző tervezési értéke (Effect of action) állapotjellemző ellenállási tervezési értéke (design Resistance) E d F E k R d R k M
A méretezés elve Hatás reprezentatív értékének bizonytalansága Hatások számítási modelljének bizonytalansága Ellenállás számítási modelljének bizonytalansága Anyagjellemzők bizonytalansága γ f γ Sd γ Rd γ m γ F γ M
Határállapotok Acélszerkezetre vonatkozó teherbírási határállapot csoportjai: Szilárdsági határállapotokkeresztmetszeti, kapcsolati ellenállás, és első folyás, korlátozatlan folyás vagy képlékeny törés tönkremenetel alapján határoz meg. Stabilitási határállapotok szerkezeti elem ellenállás, és kihajlás, kifordulás vagy lemezhorpadás tönkremenetel alapján határoz meg.
Tervezési állapotok Tartós állapot: a szerkezet üzemszerű körülményei Ideiglenes állapot: az élettartam rövid szakaszában érvényesül (építés, karbantartás) Rendkívüli állapot: természeti csapás, járműütközés Földrengési állapot: külön kezelt rendkívüli állapot
Hatások Hatás teher G állandó hatás önsúly Q esetleges hatás hasznos, szél, hó A rendkívüli hatás ütközés, robbanás, földrengés
Parciális és kombinációs tényezők Parciális tényező Jelölés Érték Állandó hatás, kedvező γ G,inf 1,00 Állandó hatás, kedvezőtlen γ G, sup 1,35 Esetleges hatás, kedvező 0 γ Q Esetleges hatás, kedvezőtlen 1,5 Kombinációs tényező Ψ 0 Ψ 1 Ψ 2 Födém és tetőteher A lakás 0,7 0,5 0,3 B iroda 0,7 0,5 0,3 C egyéb középület 0,7 0,7 0,6 Hóteher (általános) 0,5 0,2 0 Szélteher 0,6 0,5 0
Kombinációk Teherbírási határállapot Tartós vagy ideiglenes tervezési állapot Rendkívüli tervezési állapot Szeizmikus tervezési állapot j k j Q j j k Q i i k i G Q Q G,, 1 0, 1 1,, " " " " i j j k j k d i k Q Q A G 1, 2,,1 1,1, " " " " " " i j j k j Ed i k Q A G 1, 2,, " " " "
Kombinációk Használhatósági határállapot Karakterisztikus kombináció i G, i" " Qk,1" " Kváziállandó kombináció k Gyakori kombináció Gk, i" " 1,1Q k,1" " i i j1 j1 j1 G k " Q, i " 2, j 0, j k, j Q 2, j k, j Q k, j
Szerkezeti acél
Acél fizikai tulajdonságai Sűrűség (ρ) = 7850 kg/m 3 Hőtágulási együttható (α T ) = 0,000012 K 1 (ferrit-perlites szerkezetű acélra) Hővezetési tényező (λ) = 58 W/mK Rugalmassági modulus (E) = 206000 N/mm 2 Poisson-tényező (ν) = 0,30
Szerkezeti modellek Globális analízis: erők, nyomatékok megállapítására szolgál Lokális analízis: szerkezeti kapcsolatok tipikus kialakításainak vizsgálata
Globális analízis a) elsőrendű rugalmas kezdeti geometriai alak és lineáris anyag viselkedés, b) másodrendű rugalmas deformált geometriai alak és lineáris anyag viselkedés, c) elsőrendű képlékeny kezdeti geometriai alak és nem-lineáris anyag viselkedés, d) másodrendű képlékeny deformált geometriai alak és nem-lineáris anyag viselkedés
Globális analízis
Lokális analízis
Acél σ-ε diagram
Anyagmodellek