VYSOKÉ U�ENÍ TECHNICKÉ V BRN� FAKULTA STAVEBNÍ

PROF. ING. JIND�ICH MELCHER, DrSc. DOC. ING. MIROSLAV BAJER, CSc.

PRVKY KOVOVÝCH KONSTRUKCÍ

MODUL BO02-M01

MATERIÁL A KONSTRUK�NÍ PRVKY OCELOVÝCH KONSTRUKCÍ

STUDIJNÍ OPORY PRO STUDIJNÍ PROGRAMY S KOMBINOVANOU FORMOU STUDIA

Prvky kovových konstrukcí

Jazyková korektura nebyla provedena, za jazykovou stránku odpovídá autor.

© Prof. Ing. Jind�ich Melcher, DrSc.

Doc. Ing. Miroslav Bajer, CSc.

Obsah

3

OBSAH 1 Úvod ...............................................................................................................5

1.1 Cíle ........................................................................................................5 1.2 Požadované znalosti ..............................................................................5 1.3 Doba pot�ebná ke studiu .......................................................................5 1.4 Klí�ová slova.........................................................................................6

2 Materiál .........................................................................................................7 2.1 Výroba oceli ..........................................................................................7 2.2 Struktura oceli .......................................................................................8

2.2.1 Tepelné zpracování oceli .......................................................10 2.2.2 Rekrystalizace oceli ...............................................................11

2.3 Vlastnosti oceli....................................................................................12 2.3.1 Fyzikální vlastnosti ................................................................12 2.3.2 Mechanické vlastnosti............................................................12 2.3.3 Pevnost oceli na únavu...........................................................16 2.3.4 Sva�itelnost oceli....................................................................19

2.4 Zkoušky oceli ......................................................................................19 2.4.1 Zkouška tahem .......................................................................20 2.4.2 Zkouška tvrdosti.....................................................................21 2.4.3 Zkouška vrubové houževnatosti.............................................21 2.4.4 Zkouška sva�itelnosti .............................................................23

2.5 Konstruk�ní materiály.........................................................................24 2.5.1 Druhy ocelí a obecný systém jejich ozna�ování ...................24 2.5.2 Doporu�ené základní materiály ............................................26 2.5.3 Jakostní a ušlechtilé oceli vyšších a vysokých pevností .......28 2.5.4 Válcované výrobky ...............................................................30 2.5.5 Dráty, lana, kabely ................................................................32 2.5.6 Trubky...................................................................................32 2.5.7 Profily tvarované za studena.................................................32

3 Mezní stavy..................................................................................................35 3.1 Vlastnosti materiálu ............................................................................35 3.2 Podmínky spolehlivosti.......................................................................36 3.3 Mezní stavy únosnosti.........................................................................36 3.4 Mezní stavy použitelnosti ...................................................................37

4 Klasifikace pr��ezu ....................................................................................39 4.1 Požadavky na pr��ezy p�i pružnostním výpo�tu vnit�ních sil.............41 4.2 Požadavky na pr��ezy p�i plastickém výpo�tu vnit�ních sil ...............41

5 Záv�r ............................................................................................................43 5.1 P�íklady ...............................................................................................43 5.2 Kontrolní otázky .................................................................................47 5.3 Shrnutí .................................................................................................47

6 Studijní prameny ........................................................................................48

Prvky kovových konstrukcí

4

6.1 Seznam použité literatury ................................................................... 48 6.2 Seznam dopl�kové studijní literatury................................................. 48

Úvod

5

1 Úvod

1.1 Cíle

Modul, který se chystáte studovat, obsahuje informace o materiálu a kon-struk�ních prvcích ocelových konstrukcí. Je �len�n do šesti kapitol. V kapitole „Materiál“ se zabývá strukturou a vlastnostmi oceli, dále pojednává o výrob� a základních zkouškách oceli. V záv�ru této kapitoly se zmi�uje o konstruk�ním materiálu používaným p�i návrhu staveb z oceli. V kapitole „Mezní stavy“ jsou stru�n� popsány zásady navrhování ocelových konstrukcí podle mezních stav�. Kapitola „Klasifikace pr��ez�“ se zabývá zat�íd�ním pr��ez� podle štíhlosti a únosnosti jejich jednotlivých tla�ených a ohýbaných �ástic, t.j. pásnic a stojin. V záv�ru modulu jsou uvedeny kontrolní otázky v�etn� vy�ešených p�íklad�.

Cílem tohoto modulu je stru�n� shrnout obecné poznatky týkající se oceli jakožto stavebního materiálu, seznámit se základním používaným konstruk�ním materiálem pro návrh ocelové konstrukce a vysv�tlit princip návrhu ocelových konstrukcí podle metodiky mezních stav�. Nastudováním tohoto modulu �tená� získá základní p�edstavu o obecné problematice a principech navrhování ocelových konstrukcí.

Tento modul je koncipován tak, aby po jeho prostudování studenti dokázali charakterizovat návrh ocelové konstrukce v souladu s metodikou mezních stav�, dokázali klasifikovat pr��ez, který cht�jí použít p�i návrhu stavby u oceli a m�li p�ehled o obecných vlastnostech oceli a o možném konstruk�ním materiálu. Navržený konstruk�ní materiál zpravidla ur�uje celkové uspo�ádání, detaily i provedení ocelové konstrukce. Vedle poznatk� o konstruk�ních pravidlech je pro inženýra nezbytná také znalost materiálových charakteristik, jakož i materiálu a jeho zpracování. Proto je stru�n� uvedeno jeho složení, výroba a �íselné hodnoty fyzikáln�-mechanických vlastností. Studiem tohoto modulu �tená� získá pouze rámcovou p�edstavu o dané problematice.

1.2 Požadované znalosti

Student by m�l mít základní znalosti z teoretických p�edm�t� (zejména mate-matiky a fyziky) ze st�ední školy, rozší�ené o znalosti z teoretických p�edm�t� prvního ro�níku Fakulty stavební matematika I, matematika II, konstrukce a dopravní stavby a základy stavební mechaniky. Z dalšího dosavadního studia na Fakult� stavební VUT v Brn� jsou pot�ebné znalosti ze stavebních látek, pružnosti a pevnosti a statiky.

1.3 Doba pot�ebná ke studiu

Celková optimální doba pro prostudování kapitoly 2 je, v�etn� zopakování základních pojm�, 3 hodiny. Studium každé z kapitol 3, 4, �iní cca 2 hodiny.

Prvky kovových konstrukcí

6

Celková doba pro prostudování modulu tedy �iní cca 7 hodin, pokud budete procházet i �ešené p�íklady, pak se doba prodlouží o jednu až dv� hodiny.

1.4 Klí�ová slova

Kov, ocel, materiál, stavební konstrukce, železo, výroba oceli, struktura oceli, vlastnosti ocelí, fyzikální veli�iny ocelí, mechanické vlastnosti, únavová pev-nost, zkoušky oceli, tvrdost, vrubová houževnatost, sva�itelnost, konstruk�ní materiál, válcovaný materiál, plech, trubky, profily tvarované za studena, drát, lano, kabel, mezní stavy, mezní stavy únosnosti, mezní stavy použitelnosti, klasifikace pr��ez�, díl�í sou�initel spolehlivosti materiálu, modul pružnosti v tahu a tlaku, modul pružnosti ve smyku, sou�initel p�í�né deformace, sou�ini-tel tepelné roztažnosti, objemová hmotnost.

Materiál

7

2 Materiál

2.1 Výroba oceli

Ocel se vyrábí ze surového železa, které se získává ve vysokých pecích z že-lezných rud. T�mi mohou být zejména magnetit, hematit, limonit a siderit. Vý-roba oceli spo�ívá v redukci uhlíku, obsaženého v surovém železe, na požado-vané množství .

Surové železo obsahuje velké množství nežádoucích prvk�, zejména uhlíku (3 až 4 %), Si, Mn, P a S. Podstatou výroby oceli je tedy odstran�ní p�ebyte�ného množství t�chto vedlejších prvk�. To se d�je p�edevším oxidací.

Ocel se vyrábí p�evážn� �ty�mi zp�soby:

• v konvektorech Thomasovou nebo Bessemerovou metodou

• v konvektorech kyslíkovou metodou

• v Siemens – Martinových pecích

• v elektrických pecích.

Po dosažení pot�ebného chemického složení se tekutá ocel odlívá do speciál-ních ocelových forem. Zp�sob je velmi d�ležitý, nebo� na n�m závisí jakost vývalk�. Podle zp�sobu odlévání rozeznáváme dva druhy ocelí, ocel neuklid-n�nou a ocel uklidn�nou.

Jestliže p�i odlévání oceli reaguje zbylý kyslík s uhlíkem, vzniká CO2. Bubliny CO2 unikají do míst s menší hustotou, t.j. do mén� ztuhlého jádra - ocel p�sobí dojmem jako by v�ela. Tento proces se zastaví po ztuhnutí ingotu. Vyrobená neuklidn�ná ocel je zna�n� nehomogenní, v jád�e ingotu z�stalo velké množ-ství ne�istot. Neuklidn�ná ocel proto není vhodná pro použití na náro�n�jší sva�ované konstrukce.

Uklidn�ná ocel vzniká p�idáním dezooxida�ních prost�edk�, obvykle manganu nebo hliníku. P�ebyte�ný kyslík se váže na tyto prvky. Nevzniká CO2, ocel nev�e a její struktura je v celém objemu homogenní. Speciálními prost�edky p�i deoxidaci se dá dosáhnout mimo�ádné jemnozrné struktury oceli.

Na výrobu ocelových konstrukcí se používá p�evážn� konstruk�ní materiál, který se získá válcováním ingot� nebo p�edvalk�. Ocel se p�ed válcováním oh�eje na teplotu 1100 až 1200 °C. Válcování kon�í p�i teplot� nad 900°C, aby mohly zdeformovaná austenitová zrna p�ekrystalizovat na nezdeformované feriticko – perlitická zrna. Nevýhodou válcování je, že v d�sledku nerovno-m�rného ochlazování a následkem smrš�ování kovu vznikne v materiálu vlast-ní nap�tí.

Prvky kovových konstrukcí

8

obr.2.1 Válcovací stolice

Princip válcování (obr.2.1) spo�ívá v tom, že teplé ocelové bloky procházejí mezi dv�ma otá�ejícími se válci. Sv�tlost mezi válci je p�itom menší než veli-kost válcovaného bloku. Profilová ocel se válcuje mezi válci s vysoustruženými rýhami, které se postupn� zmenšují, takže vývalek dostane požadovaný profil. Plechy se válcují mezi hladkými válci ob�ma sm�ry, takže mají stejné vlastnosti v obou sm�rech.

Válcování za studena se používá pouze p�i výrob� jemn�jších profil�, kdy je t�eba dodržet zvýšenou p�esnost pr��ezových rozm�r�. P�i válcování za stude-na se zrna oceli trvale plasticky deformují, bez následné p�ekrystalizace p�i ochlazování. Taková ocel má v porovnání s ocelí válcovanou za tepla vyšší mez pevnosti a mez kluzu p�i sou�asném snížení tažnosti.

2.2 Struktura oceli

Poznat reálné vlastnosti konstruk�ního materiálu, v tomto p�ípad� oceli, je jed-ním z p�edpoklad� bezpe�ného navrhování a konstruování ocelových kon-strukcí. Ve vlastnostech materiálu jako je pevnost, pružnost, houževnatost, tvrdost, kovatelnost, sva�itelnost, odolnost proti korozi atd. se odráží stavba �ili struktura materiálu. Ta závisí na chemickém složení, �asovém pr�b�hu tepel-ných zm�n a p�edcházejícím mechanickém zpracování.

Ocelí nazýváme slitinu železa (Fe) a jiných prvk� (C, Mn, Si, Cu, Ni, W, Co, Mo, V, P, S atd.). Nejd�ležit�jším prvkem, který podmi�uje vlastnosti oceli, je uhlík. Pouze malé množství uhlíku dává oceli charakteristické vlastnosti a umož�uje ji v zah�átém stavu kovat, lisovat a válcovat. Slitina železa, která obsahuje víc jak 2 % uhlíku se nazývá litina. Litina výše uvedené vlastnosti ztrácí, je k�ehká jak za studena tak za tepla. Konstruk�ní ocel pro stavební ú�e-

Materiál

9

ly obsahuje zpravidla uhlík v podstatn� menším množství, prakticky v rozmezí 0,1 až 0,2%. Takovouto ocel nazýváme nízkouhlíkovou resp. m�kkou.

Kovy jsou látky, které jsou souhrnem drobných, obrysov� nepravideln� vyvi-nutých krystalk�, tzv. zrn. Nauka zkoumající strukturu kov� a její vlastnosti se nazývá metalografie.

Proces krystalizace kov� za�íná v ochlazované tavenin� kovu tak, že p�i ur�ité teplot� nastává na mnohých místech taveniny postupné zv�tšování tzv. krysta-lických zárodk� a dochází k jejich r�stu. Protože si sousední krystaly v neru-šeném r�stu vzájemn� p�ekážejí, vznikají namísto geometricky pravidelných krystal� polyedrická zrna. Oblasti mezi zrny jsou vypln�né amorfní hmotou. O tom, že zrna jsou skute�n� nedokonale vyvinutými krystaly sv�d�í jejich pravi-delná atomová stavba. Pro krystaly je charakteristické pravidelné rozložení atom� v prostorových m�ížkách (obr.2.2), zatímco chaotické nahromad�ní ato-m� charakterizuje amorfní látky.

Nejkratší vzdálenost mezi dv�ma atomy se nazývá parametr dané m�ížky. Atomy železa se vyskytují v prostorov� centrické nebo v plošn� centrické m�ížce. Každá z t�chto m�ížek odpovídá ur�itému teplotnímu stavu materiálu. P�i teplot� asi 900 °C nastává zm�na m�ížek – tzv. p�ekrystalizace. Železo p�i teplot� pod 910 °C, tzv. α – železo (ferit), má prostorov� centrickou m�ížku (obr.2.2a), železo nad teplotou 910 °C, tzv. γ – železo (austenit), má plošn� centrickou m�ížku (obr.2.2b). P�ekrystalizováním železa se nezm�ní jenom m�ížky, tj. vzájemné rozmíst�ní atom�, ale i vlastnosti materiálu (teplotní roz-tažnost, modul pružnosti, magnetické vlastnosti, rozpustnost uhlíku apod.). Železo se vyskytuje ješt� ve dvou dalších modifikacích, takže známe α – že-lezo, β - železo, γ – železo a δ – železo, které odpovídají ur�itým teplotním interval�m. Vlastnosti α – železa a β – železa se odlišují jen málo (β – železo je nemagnetické), takže dále lze ob� modifikace nazývat α – železo, které má metalografický název ferit. Modifikaci γ − železo nazýváme metalograficky austenit. Poznání procesu p�ekrystalizování α – železa na γ − železo a opa�n� je základním klí�em zvládnutí tepelného zpracování oceli.

Obr.2.2 Krystalová m�ížka zrn

a) �-železo, b) �-železo

Prvky kovových konstrukcí

10

Struktura i vlastnosti oceli nejsou nem�nné. Vlivem vn�jších i vnit�ních faktor� se �asem struktura oceli m�ní. Z vn�jších faktor� je to p�edevším zm�na teplo-ty, pomocí které dochází k strukturním zm�nám. Ty vyplývají z p�ekrystalizo-vání (tepelného zpracování), ale i ze zm�n�ných energetických pom�r� v struk-tu�e (r�st zrn, rekrystalizace). Zvláš�ní kategorií jsou strukturální procesy, kte-ré nastávají následkem mechanických ú�ink� na materiál. Mnoho chemicko-fyzikálních proces� v oceli není ukon�ených. Tyto procesy probíhají v �ase, ale se zmenšenou rychlostí, která je d�sledkem malé pohyblivosti atom� v látce tuhého skupenství. Vn�jší vlivy, zejména oh�ev a mechanické ú�inky, zp�sobu-jí urychlení t�chto proces� (stárnutí materiál�).

2.2.1 Tepelné zpracování oceli

Vlastnosti oceli je možné v širokých mezích m�nit pomocí tepelného zpraco-vání a tím p�izp�sobovat požadovanému ú�elu. Tepelným zpracováním se nazývá úmyslné vyvolání r�zných tepelných stav� a zm�n, které mají realizo-vat zm�ny struktury oceli a tím dosáhnout požadovaných vlastností oceli. Pro-st�edky, které jsou p�i tepelném zpracování ocele k dispozici, jsou:

� výška teploty zah�ívání,

� �as udržení této teploty,

� rychlost oh�átí a chladnutí.

Protože úplný pr�b�h t�chto proces� vyžaduje vždy ur�itý �as, je volbou uve-dených faktor� možné dosáhnout, že p�i tepelném zpracování neprob�hnou tyto procesy úpln�, resp. neprob�hnou v�bec, takže vznikne struktura nové kvality – nerovnovážná struktura (nap�. p�i svá�ení).

Základní druhy tepelného zpracování oceli jsou žíhání a kalení.

Žíháním se nazývá oh�ev oceli na ur�itou teplotu, setrvání na této teplot� tak dlouho, jak je pot�eba na dokon�ení zm�n struktury kovu a následující pomalé ochlazení. Rozeznáváme více druh� žíhání:

� Normaliza�ní žíhání je nejb�žn�jším zp�sobem žíhání uhlíkových ocelí po kování, válcování, lisování, svá�ení a n�kdy po tvá�ení za studena. Jeho ú�elem je zrušit následky p�edcházejících mechanických a tepel-ných zpracování a to pomocí p�ekrystalizování, �ímž se dosáhne nová, jemnozrnn�jší a rovnom�rn�jší struktura. Normaliza�ní žíhání �asto p�edchází dalšímu tepelnému zpracování, jako je kalení, zušlech�ování apod., v od�vodn�ných p�ípadech se používá pro obnovení p�vodních vlastností oceli po narušení její struktury p�edcházejícím zpracováním.

� Žíhání na m�kko se provádí zah�átím na teplotu blížící se teplot� 723 °C, na které se setrvá 5 až 6 hodin. P�i této teplot� p�em�nou vznikne zrnitý perlit. Ocel se zrnitým perlitem je m�kká a dá se dob�e opracovávat, �e-hož se využívá p�i obráb�ní n�kterých druh� ocelí.

� Žíhání na odstran�ní vlastního pnutí se provádí oh�átím na teplotu 500 až 600°C. P�i tomto druhu žíhání nenastávají žádné zm�ny struktury, z oceli však vymizí všechna vlastní nap�tí. Toto žíhání se používá na odstran�ní k�ehkosti zp�sobené vlastním pnutím ve výliscích, odlitcích a svarových spojích, zejména p�i v�tších tlouš�kách materiálu.

Materiál

11

Kalení oceli spo�ívá v oh�átí oceli podobn� jako p�i normaliza�ním žíhání, a jejím následném rychlém ochlazení. P�i rychlém ochlazení nesta�í prob�hnout mechanismus p�ekrystalizování austenitové struktury na rovnovážnou strukturu feriticko-perlitickou. Uhlík z�stává uvnit� m�ížky α – železa, deformuje ji, tak-že vzniká nerovnovážná struktura, která je ve stavu vnit�ní napjatosti. Navenek se uvedený stav projevuje tvrdostí a k�ehkostí. Aby se tyto nep�íznivé vlastnos-ti oceli zmírnily, je pot�ebné ocel tzv. popoušt�t.

Popoušt�ní se skládá z oh�evu zakalené oceli na teplotu pod spodní hranici p�em�n, ze setrvání na této teplot� a z následujícího ochlazení. Kalení spolu s popoušt�ním se nazývá zušlech�ování. Výsledkem procesu je ocel s vyšší pevností p�i posta�ující houževnatosti.

Patentování je tepelné zpracování, které se používá p�i tažení ocelových drát�. Tažením se ocel zpev�uje, až další tahání není možné. M�kké ocele se proto p�ed dalším zpracováním podrobují p�ekrystaliza�nímu žíhání (650 °C) nebo žíhání na m�kko. Dráty z tvrdších ocelí (víc jak 0,25% C) se protahují olov�-nou koupelí teploty 400 až 450°C, v d�sledku �ehož vznikne jemný perlit. Po vychladnutí drátu se m�že pokra�ovat v tahání.

P�i výrob� prvk�, které mají z�stat houževnaté, avšak jejich povrch má být co nejtvrdší (pance�ová ocel), jako nap�. pro ložiska, se používá povrchové kalení. Nasycováním povrchových vrstev uhlíkem se získá vysoká kalitelnost. Provádí se p�i teplot� 850 až 930 °C. Postup se nazývá cementování. Jiný postup povr-chového zpevn�ní je nasycování povrchu dusíkem – nitridování, které se d�lá p�i teplot� 500 až 510 °C. Slitiny oceli na nitridování musí být legované nejmé-n� uhlíkem, p�ípadn� chromem, vanadem apod.. Nitridování oproti cementová-ní je zdlouhav�jší a dražší. Povrch je však tvrdší a houževnat�jší.

2.2.2 Rekrystalizace oceli

R�st zrn je samovolným procesem, který vyplývá z p�irozeného úsilí soustavy minimalizovat vnit�ní energii. �ím je vyšší teplota, tím jsou atomy pohybliv�jší a tím rychleji probíhá stabilizace struktury. R�st je intenzivn�jší p�i drobných zrnech, p�i kterých na jednotku p�ipadá v�tší energie. P�i nestejnorodé struktu-�e, která se skládá z malých a velkých krystal�, je proces r�stu krystal� prová-zen zv�tšením rozm�r� velkých krystal� (zrn), které rostou na úkor malých. Od ur�ité „kritické“ teploty je tento proces velmi rychlý. Pro ocel, která p�ed tím nebyla deformovaná za studena, je to 900 až 950 °C. P�i tepelném zpracování oceli je proto pot�ebné dbát na to, aby tato teplota nebyla nep�ekro�ena. V opa�ném p�ípad� bychom získali hrubozrnnou strukturu.

P�i deformaci za studena dochází ke zna�ným místním nerovnom�rnostem v rozd�lení vnit�ní energie. V smykových rovinách vznikají místa s lokáln� zvýšenou energií, v kterých vznikají zárodky nových zrn. Postupn� se zv�tšují na úkor zdeformovaných zrn. Tento proces se nazývá rekrystalizace. Teplota, p�i které nastává náhlý r�st nových zrn p�i rekrystalizaci, se nazývá rekrystali-za�ní teplota. Stupe� deformace za studena má velký vliv na výšku rekrystali-za�ní teploty a velikost vznikajících zrn (obr.2.3)

Prvky kovových konstrukcí

12

Obr.2.3 Vliv stupn� tvá�ení

a- na hodnotu rekrystaliza�ní teploty, b – na velikost zrn po rekrystalizaci

�ím je deformovaná struktura za studena homogenn�jší, tím jsou rekrystali-za�ní procesy výrazn�jší. Stupe� deformace, která zp�sobuje po rekrystalizaci nejv�tší zrno, se nazývá kritickou deformací. Kritická deformace nebývá velká, jen 5 až 10%. P�i této deformaci se dosahuje velký rozdíl ve velikosti zdefor-movaných zrn a zrn ješt� nezasáhnutých plastickou deformací. Po rekrystali-zaci kriticky deformované oceli je vzniklá struktura velmi hrubozrnná, což se projevuje v snížení mechanických vlastností oceli. P�i mechanickém zpracová-ní je proto t�eba se kritické deformaci vyhýbat.

2.3 Vlastnosti oceli

2.3.1 Fyzikální vlastnosti

Fyzikální charakteristiky konstruk�ních ocelí se uvažují následujícími všeo-becn� platnými návrhovými hodnotami:

• modul pružnosti v tahu a tlaku E = 210000 MPa

• modul pružnosti ve smyku G = 81000 MPa

• sou�initel p�í�né deformace υ = 0.3

• sou�initel tepelné roztažnosti αt = 0.000012 K-1

• objemová hmotnost ρ = 7850 kg / m3

2.3.2 Mechanické vlastnosti

Mechanické vlastnosti mají bezprost�ední vliv na zp�sob výpo�tu ocelových konstrukcí a na jejich bezpe�nost.

Materiál

13

Mechanické vlastnosti základních materiál� závisí na jejich chemickém složení a tepelném zpracování. B�žn� používané oceli obsahují rámcov� do 0,2% uhlí-ku. Podle stupn� legování dalšími prvky ozna�ujeme jednotlivé druhy materiá-l� jako oceli uhlíkové (obsah dalších p�ím�sí do 1%), oceli nízkolegované (obsah dalších p�ím�sí v rozsahu 1% až 3%), resp. oceli legované (obsah p�í-m�sí nad 3%). Pro sva�ované ocelové stavební a technologické konstrukce nejsou vhodné materiály s tažností menší než 15%.

Základními mechanickými vlastnostmi oceli jsou pružnost, plasticita a pevnost. Pružností rozumíme schopnost materiálu pružn� se deformovat vlivem silo-vých ú�ink�, což platí i po mnohanásobném zatížení. Plasticitou rozumíme vlastnost materiálu trvale se deformovat, p�i�emž velikost plastické deformace není možné p�esn� vyjád�it jako závislost na velikosti silových ú�ink�, protože p�i následném zatížení se materiál deformuje jiným zp�sobem než p�i p�edchá-zejícím zatížení. Ocel se pro ur�ité hladiny zatížení chová jako pružná a nad t�mito hladinami jako plastická nebo pružn�-plastická. Pevnost materiálu je vlastnost oceli zachovávat celistvost a soudržnost až po ur�itou hladinu zatíže-ní, p�i které se materiál porušuje lomem.

Protože základní mechanické vlastnosti oceli jsou podmín�né i zp�sobem na-máhání, je výhodné je zkoumat p�i nejjednodušším možném zp�sobu namáhání tj. p�i namáhání osovou tahovou silou. P�i tomto zp�sobu namáhání je nejjed-nodušší experimentáln� zjistit základní mechanické vlastnosti oceli. Na jejich podklad� je možno pomocí pevnostních teorií p�edpokládat chování oceli p�i jiném, komplikovan�jším zp�sobu namáhání.

Vztah mezi p�sobící silou F a prodloužením ty�e ∆L p�i jednoosém tahu je možné vyjád�it vztahem nap�tí σ k pom�rnému prodloužení ε, p�i�emž

σ = F/ A0,,

ε = ∆L/L0 = (L – L0)/L0,,

kde A0 – p�vodní pr��ezová plocha zkoušeného t�lesa,

L0 – p�vodní délka t�lesa tahové zkoušky.

Každé vn�jší zat�žovací síle F odpovídá ur�itá zm�na p�vodní délky t�lesa tahové zkoušky ∆L a na základ� uvedených vzorc� též hodnota nap�tí σ a po-m�rného prodloužení ε. Závislost mezi σ a ε p�i namáhání tahem až do poruše-ní udává pracovní diagram oceli (obr.2.4).

Na obr.2.4 zna�í k�ivka σsml smluvní pracovní diagram oceli p�i uvažování p�vodní pr��ezové plochy A0, k�ivka σsk popisuje skute�ný pracovní diagram p�i uvažování skute�né pr��ezové plochy vzorku Amin.

Plocha omezená k�ivkou na pracovním diagramu udává deforma�ní práci po-t�ebnou na p�etvo�ení zkušební ty�e, resp. její p�etrhnutí. Charakteristické na-p�tí na pracovním diagramu udávají body:

A – mez úm�rnosti, B – mez pružnosti, C – mez kluzu v tahu Ch – horní, Cd – dolní, D – mez pevnosti v tahu fu,

E – mez porušení.

Prvky kovových konstrukcí

14

p�etvo�ení ε [%]

Nap�t

í σ [M

Pa]

σ

σ

Obr.2.4 Smluvní a skute�ný pracovní diagram oceli

A - mez úm�rnosti, B - mez pružnosti, Ch, Cd – mez kluzu – horní , dolní , D – mez pevnosti, E – mez porušení, I – pružná oblast, II – plastická oblast, III – oblast zpev-

n�ní.

Podobn� ozna�ujeme mez kluzu v tlaku, p�i�emž mez kluzu v tlaku uvažujeme stejn� velkou jako je mez kluzu v tahu. Celkov� na pracovním diagramu m�-žeme pozorovat t�i základní charakteristické oblasti:

I. pružná oblast, II. plastická oblast, III. oblast zpevn�ní.

Až po mez úm�rnosti platí lineární závislost mezi nap�tím a prodloužením vy-jád�ená Hookovým zákonem

ε = σ /E.

Zvyšování mechanických vlastností uhlíkem nad 0,2% je nevhodné, proto se v oceli dosahuje požadovaných vlastností p�idáním dalších prvk� – tzv. lego-váním. Touto cestou je možné dosáhnout nap�. vyšší tažnosti materiálu (hou-ževnatosti) p�i vyšší mezi kluzu a pevnosti.

Nejd�ležit�jší legující prvky, které jsou obsaženy v konstruk�ních ocelích jsou:

• mangan – zvyšuje pevnost a tažnost, ovliv�uje tepelné zpracování,

• k�emík – zvyšuje pevnost a odolnost proti korozi,

• m� - zvyšuje pevnost a odolnost proti korozi,

• molybden – zvyšuje pevnost p�i nízkých teplotách a zlepšuje odolnost proti

Materiál

15

korozi.

Dalšími legujícími prvky mohou být hliník, titan, bor, wolfram, kobalt, vanad. Jestliže celkový obsah legujících prvk� nep�esahuje 3 % jedná se o oceli nízko-legované, je-li obsah vyšší , hovo�íme o oceli vysokolegovaných.

Pracovní diagramy r�zných druh� ocelí znázor�uje obr.2.5

N�které chemické prvky v ocelích obsažené ovliv�ují vlastnosti negativn�:

• síra – snižuje houževnatost a kujnost materiálu,

• fosfor – ocel se stává k�eh�í p�i nižších teplotách,

• dusík – zp�sobuje stárnutí materiálu, zvyšuje jeho k�ehkost.

p �etvo�ení ε [% ]

Nap�t

í σ [M

Pa]

σ [M pa]

Obr.2.5 Pracovní diagram r�zných ocelí

Na obr.2.5 je ozna�ení pracovních diagram� následující: � 1 – nízkouhlíková ocel C 0,1 %,

� 2 – nízkouhlíková ocel C 0,2 %,

� 3 – niklová ocel Ni 3 %,

� 4 – chromniklová ocel Cr + Ni 3 %,

� 5 – patentový drát C 0,65 %,

� 6 – k�emíková ocel Si 1 %

Prvky kovových konstrukcí

16

Na zm�nu mechanických vlastností má taktéž vliv zm�ny teploty (obr.2.6). Se stoupající teplotou klesá mez kluzu, pevnost však nemusí klesat hned. Od tep-loty 600 °C už lze ocel pokládat za zcela plastickou. S klesající teplotou pod 0°C m�že mez kluzu stoupat aniž se m�ní mez pevnosti. V kombinaci s dalšími vlivy, které snižují plastické vlastnosti oceli m�že p�i ur�ité, tzv. p�echodové, teplot� dojít k náhlému p�erušení oceli, tzv. k�ehkému lomu.

teplota t [ C]

Nap�t

í σ [M

Pa]

σ [Mpa]

kontrakce

mez pevnostimez kluzu

tažnost

vrubová houževnatost

Obr.2.6 Vliv teploty na mechanické vlastnosti oceli

2.3.3 Pevnost oceli na únavu

V p�ípad� prom�nlivého mnohokrát opakovaného namáhání se m�že ocel po-rušit bez kontrakce. Takovýto zp�sob namáhání se nazývá namáhání na únavu a porušení materiálu se nazývá únavový lom. Ten se liší od lomu, který nastane p�i jednorázovém zatížení, p�i kterém je dosaženo meze pevnosti materiálu.

Únavový lom vychází z místa koncentrace nap�tí, tedy z místa, kde náhlá zm�-na pr��ezu, povrchové nebo vnit�ní vady materiálu vyvolávají vysoké místní nap�tí. K�ehnutí materiálu v poli nap�tí v okolí vrubu zp�sobuje vznik mikro-trhliny, která se neustále rozši�uje. Únavový lom nastane tehdy, když postupn� se ší�ící trhlina oslabí pr��ez natolik, že se náhle pevnostn� poruší.

Vznik únavového lomu závisí na po�tu a druhu zat�žovacích cykl�, druhu a jakosti materiálu a velikosti prvku.

Únavový lom má dv� charakteristické oblasti:

• lesklou oblast postupn� se ší�ící trhliny,

• zrnitou oblast okraj� k�ehkého lomu.

Materiál

17

Teoretickým p�edpokladem je, že pr�b�h skute�ného nap�tí, vyvolaného pro-m�nlivým zatížením je nahrazen pr�b�hem nap�tí, které se m�ní jako kmity podle sinusoidy (obr.2.7).

�as t

horn

í nap�t

í σ

σ d

σ h

σ mσ a

σ a

Τ

Obr.2.7 P�edpokládaný pr�b�h nap�tí p�i namáhání na únavu

V obrázku 2.7: σd zna�í spodní nap�tí, σh horní nap�tí, σm = (σh+σd)/2 je st�ední nap�tí, σa = (σh-σd)/2 je amplituda, 2*σa je rozkmit, T je perioda kmitání.

Únavový lom p�i daném horním nap�tí σh nastává po ur�itém po�tu zat�žova-cích cykl� n. Tuto závislost znázor�uje Wöhlerova k�ivka únavy (obr.2.8).

Pro praktické ú�ely je mez únavy definována jako horní nap�tí, p�i kterém na-stane lom p�i ur�itém po�tu zat�žovacích cykl�. Pomocí Wöhlerovy k�ivky je možné na základ� experimentu ur�it mez únavy ur�itého prvku z daného mate-riálu, p�i daném nap�tí σd a σm.

Pevnost materiálu je velmi nízká zejména p�i st�ídavém namáhání a p�i použití materiál� vyšších a vysokých pevností. V t�chto p�ípadech je t�eba klást zvý-šený d�raz na tzv. bezvrubové konstrukce. Toto je d�ležité zejména u sva�ova-ných konstrukcí.

Mnohem složit�jší je problematika pevnosti na únavu p�i navrhování ocelo-vých konstrukcí, nebo� cykly nap�tí se zpravidla v pravidelných rozkmitech, jak byly d�íve popsány, nevyskytují. Proto je možné použít p�i posuzování únosnosti ocelových konstrukcí p�i únav� volit zjednodušující metody, nap�. podle normativních dokument�.

Prvky kovových konstrukcí

18

Obr.2.8 Wöhler�v diagram únavy

a ) v lineárních sou�adnicích, b)– v polologaritmických sou�adnicích, A – de-tail bez vrubu, C – detail s vrubem

K�ivky únavy podle Smitha nebo podle Weyrouchta (obr.2.9) udávají závislost meze únavy σh od st�edního nap�tí σm (Smith) nebo spodního nap�tí σn (Wey-rauch) Nap�tí σh a σd teoreticky splývají na mezi statické pevnosti (bod D). Prakticky však σh nemusí být v�tší než mez kluzu materiálu fy, protože v tomto p�ípad� by už nerozhodovala únavová pevnost, ale dosažení meze kluzu mate-riálu.

Materiál

19

.

Obr.2.9 Diagramy únavy a) Smith�v, b) Weyrauch�v

2.3.4 Sva�itelnost oceli

Sva�itelností oceli rozumíme schopnost oceli vytvo�it za b�žných podmínek sva�ování sva�ovaný spoj s požadovanými vlastnostmi. Tyto vlastnosti jsou p�edevším mechanické (pevnost, tažnost, tvrdost apod.) nebo jiné (odolnost proti korozi, vzhled apod.).

O sva�itelnosti materiálu obvykle rozhodují mikrometalurgické procesy p�i sva�ování, procesy tepelného zpracování v zónách okolo svaru a stav napjatosti vzniklý v d�sledku nerovnom�rného oh�ívání a ochlazování oceli.

Mezi materiálové ukazatele sva�itelnosti pat�í p�edevším chemické složení, p�edevším prvky, které ovliv�ují sva�itelnost nejvíce, udané souhrnn� tzv. uhlí-kovým ekvivalentem.

2.4 Zkoušky oceli

Reálné vlastnosti oceli se ur�ují zkouškami. Zkušební t�lesa se vyráb�jí ze zku-šebních vzork�, které se odebírají podle pravidel stanovených normami tak, aby vzorky p�edstavovaly pr�m�rnou jakost zkoušeného prvku.

Prvky kovových konstrukcí

20

Protože na mechanické vlastnosti oceli má vliv mnoho faktor�, jako nap�. tvar zkušebního t�lesa, rychlost zat�žování a teplota, jsou podmínky pro zkoušky p�edepsané v normaliza�ních dokumentech.

2.4.1 Zkouška tahem

Zkušební ty� na zkoušku tahu má p�edepsaný kruhový, �tvercový nebo obdél-níkový pr��ez. Na ty� se vyzna�í m��ená délka L0 = 5d nebo 10d (v p�ípad� kruhových pr��ez�). Délka st�ední �ásti ty�e je o 20 mm v�tší než m��ená dél-ka (obr.2.10).

Rychlost zat�žování je 10 N.mm-2.s-1, po zjišt�ní meze kluzu 30 N.mm-2.s-1. M��í se zm�na p�vodní délky.

P�i zkoušce tahem se zjiš�uje:

• mez kluzu fy

Mez kluzu fy je nap�tí, p�i kterém pokra�uje prodlužování zkušební ty�e i když se r�st zatížení p�echodn� zastaví. Nedá-li se ur�it mez kluzu z�eteln�, zjiš�uje se tzv. konven�ní mez kluzu f0,2. Dá se stanovit z pracovního dia-gramu ze zatížení, p�i kterém prodloužení zkušební ty�e dosahuje 0,2% p�-vodní m��ené délky L0.

b d h h

t

L

b d

h h

L

Lo

Lo=5d

r=4

0br.2.10 Zkušební t�lesa pro tahovou zkoušku

• mez pevnosti v tahu fu

Reprezentuje úrove� zatížení F, které se dosáhne p�ed p�etržením zkušební ty�e p�vodní plochy A.

• mez úm�rnosti a mez pružnosti

Mez úm�rnosti reprezentuje úrove� zatížení do jejíhož dosažení platí Hoo-k�v zákon ε = σ /E, mez pružnosti je hranice, do níž se zkušební t�leso cho-vá pružn� – po odtížení zaujme výchozí tvar.

• tažnost

Pom�rné prodloužení p�i p�etržení:

Materiál

21

1000

⋅∆=LLδ (%),

kde ∆L je prodloužení p�vodní m��ené délky L0.

• pom�rné zúžení pr��ezu ( kontrakce)

100)(

0

0 ⋅−

=A

AAψ (%),

kde A0 je p�vodní plocha zkušební ty�e,

A je plocha po p�etržení.

2.4.2 Zkouška tvrdosti

Tvrdost lze stanovit metodami dle Brinella, Rockwella a Wickerse. Nejrozší�e-n�jší je zkouška tvrdosti podle Brinella. Její princip (obr.2.11) spo�ívá v m��ení otlaku ocelové kuli�ky normalizovaného pr��ezu D zatla�ované do m��eného materiálu p�edepsanou silou F. �ím je materiál m�k�í, tím vnikne kuli�ka hloub�ji a zanechá v�tší pr�m�r otlaku d.

Tvrdost je vyjád�ena jako pr�m�rný tlak (HB) na 1 mm2 dotykové plochy otla-ku s pr�m�rem d, tj.

HB = 4F/(πd2)

Obr. 2.11 Princip zkoušky podle Brinella

Doba p�sobení síly F je 30 sekund, velikost síly je 2300DF = ,

kde pr�m�r kuli�ky D je 2,5; 5 nebo 10 mm.

Mezi a tvrdostí oceli a mezí pevnostije p�ibližný vztah

HBf Bu 6,3, = .

2.4.3 Zkouška vrubové houževnatosti

Hodnota vrubové houževnatosti se ur�í z práce spot�ebované na p�eražení zku-šební ty�e a z pr��ezové plochy v pr��ezu s vrubem. Zkouška spo�ívá v p�era-

D

F

d

Prvky kovových konstrukcí

22

žení zkušební ty�e p�edepsaného tvaru (obr.2.12) na kyvadlovém kladivu jed-ním rázem.

h1

h1h2

a

b

c

0br .2.12 Zkouška vrubové houževnatosti a – Charpyho kladivo, b – uložení zkušební-ho. t�lesa, c – pr�b�h nap�tí ve zkušebním t�lese

Zkušební ty�e jsou normalizovaného tvaru s vrubem tvaru U nebo V (obr.2.13).

10

55

r=1

40

2

2

r=0,25 2

45

10

10

Obr.2.13 T�lesa pro zkoušku vrubové houževnatosti

Materiál

23

Vrub tvaru U je hluboký 2; 3 nebo 5 mm, vrub tvaru V je hluboký 2 mm. Pr�-b�h nap�tí ve zkušební ty�i, v �ezu vedeném vrubem, má charakter ohybového namáhání s výrazným vrcholem nap�tí v ko�eni vrubu (obr.2.12 c). Zkouška vrubové houževnatosti probíhá pomocí kyvadlového (Charpyho) kla-diva (obr.2.12), s nejv�tší prací 300 N.m a s rychlostí v okamžiku úderu 4,5 – 7 m.s1.

Práce spot�ebovaná na p�eražení zkušební ty�e vyjad�uje úbytek energie daný sou�inem hmotnosti G a rozdílu výšky kladiva p�ed nárazem a po jeho maxi-málním vychýlení po nárazu:

)( 21 hhGW −= .

Vrubová houževnatost R se stanoví ze vztahu:

AW

R = ,

kde A je pr��ezová plocha v pr��ezu s vrubem.

2.4.4 Zkouška sva�itelnosti

Zkouškou sva�itelnosti lze zjistit zda v d�sledku sva�ování nedochází ke zm�-nám plastických vlastnosti základního materiálu. Zkoušky sva�itelnosti b�žn� používaných ocelí se provádí na t�lesech tlouš�ky do 25 mm obvykle nárazo-vou zkouškou, je-li tlouš�ka > 25 mm ohybovou návarovou zkouškou. Nárazo-vá zkouška probíhá obdobn� jako zkouška vrubové houževnatosti na zkušeb-ních t�lesech rozm�ru 100*100 mm, p�i�emž ko�en vrubu je v míst� hranice závaru (obr.2.14).

Obr.2.14 Zkušební t�leso pro návarovou vrubovou zkoušku

Ohybová návarová zkouška se provádí ohýbáním desky s nava�eným svarem ve žlábku (obr.2.15). Zkouška vyhovuje, jestliže se dosáhne v norm� p�edepsa-ný úhel ohybu bez toho, že by nastal lom v celém pr��ezu zkušebního t�lesa.

Prvky kovových konstrukcí

24

200

6t+300 t

r=1

t

6t100 100

3t

t

5t50 50

2t(3t)

35

Obr.2.15 Ohybová návarová zkouška a zkouška lámavosti tupého svaru

Zkouška odolnosti proti k�ehkému lomu p�i snížených teplotách se používá u ocelí tlouš�ky v�tší než 10 mm. Je to v podstat� vrubová zkouška houževnatos-ti p�i teplot� 0 °C.

2.5 Konstruk�ní materiály

Nosné ocelové konstrukce se navrhují z takových materiál�, který mají poža-dované chemické složení a vykazují p�edepsané fyzikální, mechanické a jiné vlastnosti.

Oceli o tažnosti menší než 15 % není vhodné používat pro sva�ované ocelové konstrukce. Oceli uvedené v tab.2.2 tomuto požadavku na tažnost vyhovují.

2.5.1 Druhy ocelí a obecný systém jejich ozna�ování

Základní sortiment výchozích materiál� pro prvky a dílce sva�ovaných, šrou-bovaných a nýtovaných ocelových konstrukcí ur�ených k použití p�i okolních atmosférických teplotách tvo�í výrobky z nelegovaných konstruk�ních ocelí válcovaných za tepla. Dodávají se podle �SN EN 10025 + A1:1996 – Výrobky válcované za tepla z nelegovaných konstruk�ních ocelí, Technické dodací pod-mínky.

Oceli ur�ené k použití za normálních a nízkých teplot pro vysoce namáhané sva�ované konstrukce (nap�. mosty, vrata plavebních komor, zásobníky, nádrže apod.) se dodávají podle �SN EN 10113-1 až 3 : 1994 – Výrobky válcované za tepla ze sva�itelných jemnozrnných konstruk�ních oceli.

V souladu se systémem zkráceného ozna�ování podle �SN EN 10027-1 : 1995 – Systémy ozna�ování ocelí, �ást 1: Systém zkráceného ozna�ování – Základní symboly a dále ve smyslu informa�ního ob�žníku ECISS (European Committee for Iron and Steel Standardization) �SN ECISS IC 10 . 1993 – Systémy ozna-

Materiál

25

�ování ocelí, Systém zkráceného ozna�ování – P�ídavné symboly se oceli ozna-�ují zp�sobem ilustrovaným následujícími p�íklady:

Ocel EN 10025 – S235JRG1; Ocel EN 10025 – S235J0C, Ocel EN 10025 – S355J2G3C; Ocel EN 10025 – S355J0W; Ocel EN 100113-2 – S40N; Ocel EN 100113-3 – S460ML; Ocel EN 10137 – S460Q, apod.

Zna�ka oceli vycházející z jejího použití a mechanických vlastností (nap�. S235) je tvo�ena základním symbolem, který obsahuje ozna�ení specifikace použití oceli nap�.:

S – oceli pro ocelové konstrukce pro všeobecné použití, P – oceli pro tlakové nádoby, L – oceli na potrubí, B – oceli na výztuž pro beton, R – oceli na kolejnice, Y – oceli pro p�edpínací výztuž do betonu, E – oceli na strojní sou�ásti,

a �íslem udávajícím minimální hodnotu meze kluzu materiálu v N.mm-2 pro tlouš�ky výrobk� t 16 mm (v p�ípad� výztuže do betonu se uvádí �íslo odpo-vídající hodnot� charakteristické meze kluzu). Zna�ka oceli tedy definuje pev-nostní t�ídu a použití materiálu.

P�ídavný symbol v ozna�ení oceli (nap�. J0) ozna�uje jakostní stupe� oceli up�es�ující její sva�itelnost a zaru�ené hodnoty nárazové práce. P�i�azení p�í-davných symbol� k velikosti nárazové práce je z�ejmé z tab. 2.1.

Tab.2.1 P�ídavné symboly v ozna�ení oceli

Zkušební teplota (°C) Nárazová

práce +20 0 -20 -30 -40 -50 -60

27 J JR J0 J2 J3 J4 J5 J6

40 J KR K0 K2 K3 K4 K5 K6

60 J LR L0 L2 L3 L4 L5 L6

Oceli jakostních stup�� JR, J0, J2 a K2 jsou obecn� vhodné ke sva�ování. Sva-�itelnost p�ízniv� vzr�stá od jakostního stupn� JR k dalším stup��m až po K2.

Za zna�kou oceli, p�íp. za zna�kou oceli dopln�nou p�ídavným symbolem mo-hou následovat další dopl�kové p�ídavné symboly up�es�ující zp�sob výroby oceli a dodací podmínky, nap�.:

G1 – neuklidn�ná ocel, G2 – neuklidn�ná ocel není dovolena, G3, resp. G4 – stav dle volby výrobce, nap�. oceli normaliza�n� žíhané a pln� uklidn�né (ob-sahující prvky dostate�n� vázající dusík), C – vhodnost tvá�ení za studena, W – odolnost proti atmosférické korozi, N – normaliza�ní žíhání nebo normaliza�ní válcování, W - termomechanické válcování, L – zaru�ená minimální hodnota nárazové práce p�i -50 °C, Q – zušlecht�ná ocel.

Ve smyslu evropských norem se zavádí následující obecné �len�ní druh� oce-li:

Prvky kovových konstrukcí

26

• oceli obvyklé jakosti – oceli S235, S275 a S355 jakostního stupn� JR (není-li zaru�ována vhodnost k tvá�ení za studena),

• jakostní oceli nelegované – oceli S235, S275, S355 jakostních stup�� J0, J2G3, J2G4, K2G3 a K2G4,

• legované oceli ušlechtilé – oceli S420 a S460.

2.5.2 Doporu�ené základní materiály

Doporu�ené základní materiály pro sva�ované ocelové konstrukce jsou uvede-ny v tab. 2.2. Pevnostní t�ída oceli se volí se z�etelem na p�íslušné funk�ní, konstruk�ní, výrobní a ekonomické podmínky vztahující se k uvažovanému nosnému systému. P�i volb� jakostního stupn� je t�eba uvážit zp�sob a namá-hání prvku, tlouš�ku materiálu, provozní teploty konstrukce, d�sledky porušení konstrukce i technologii spojování.

V tab.2.2 je uvedeno p�i�azení evropských ocelí k odpovídajícím �eským mate-riál� specifikovaným p�íslušnou národní technickou normou (tzv. materiálo-vým listem). Tak nap�. pro konstruk�ní oceli pevnostní t�ídy S235 platí násle-dující �eské normy s p�íslušnou charakteristikou oceli a vhodnosti jejího použi-tí:

• �SN 41 1373 : 1994 – Ocel 11 373

Neušlechtilá konstruk�ní ocel obvyklé jakosti vhodná ke sva�ování. Vhodná na sou�ásti konstrukcí a stroj� menších tloušt�k, i tavn� sva�ované, namá-hané staticky i mírn� dynamicky. Ekvivalent evropského ozna�ení S235JRG1.

• �SN 41 1375 : 1994 – Ocel 11 375

Neušlechtilá konstruk�ní ocel obvyklé jakosti vhodná ke sva�ování. Vhodná na sou�ásti konstrukcí a stroj� st�edních tloušt�k tavn� sva�ované, namáha-né staticky i dynamicky. Ekvivalentní ozna�ení S235JRG2.

• �SN 41 1378 : 1994 – Ocel 11 378

Nelegovaná konstruk�ní jemnozrnná jakostní ocel vhodná ke sva�ování. Vhodná na mostní a jiné sva�ované konstrukce a �ásti stroj�. Ekvivalentní ozna�ení S355J0.

Pro konstruk�ní oceli pevnostní t�ídy S355 platí obecn� :

• �SN 41 1523 : 1994 – Ocel 11 523

Nelegovaná konstruk�ní jemnozrnná jakostní ocel vhodná ke sva�ování. Vhodná na mostní a jiné sva�ované konstrukce a sou�ásti stroj�. Ekviva-lentní ozna�ení : S355J0.

• �SN 41 1503 : 1994 – Ocel 11 503

Nelegovaná konstruk�ní jemnozrnná jakostní ocel vhodná ke sva�ování. Vhodná na konstrukce v�tších tloušt�k p�sobící p�i nižších teplotách (až do -50 °C).

Pro konstrukce vystavené atmosférickým vliv�m vn�jšího prost�edí se používa-ly nízkolegované patinující oceli nevyžadující ochranné antikorozní nát�ry, a to

Materiál

27

ocel 15 127 – Atmofix A dle �SN 41 5217 na bázi Cr, Ni, Cu, P odpovídající pevnostní t�íd� oceli S355J2 (se z�etelem na zvýšený obsah fosforu je tato ocel vhodná pro menší tlouš�ky hutních výrobk� v rozsahu do 12 až 16 mm) a dále ocel 15 217 – Atmofix B dodávaná dle technické normy výrobce oceli na bázi Cr, Ni, Cu odpovídající pevnostní t�íd� oceli S355K2 (pro v�tší tlouš�ky hut-ních výrobk�). Zvýšený obsah legujících prvk�, zejména m�di, zp�sobuje vy-vytvo�ení kompaktní krycí vrstvy korozních produkt� zabra�ující prostupu koroze do hloubky pr��ezu.

Tab.2.2 Doporu�ené základní materiály pro sva�ované ocelové konstrukce

Jakostní stupe� podle �SN EN10025+A1 Pevnostní t�ída oceli JR J0 J2 K2

S235 11 373

11 375

11 378 11 378

S275 11 443 11 448 11 448

11 449

S355 11 523 11 523

11 503

11 503

Materiálové pevnostní charakteristiky jsou pro jednotlivé pevnostní t�ídy oceli definovány jmenovitými hodnotami meze kluzu fy a meze pevnosti v tahu fu, jež jsou pro válcované hutní výrobky z oceli pevnostních t�íd S235, S275 a S355 uvedeny v tab.2.3.

Tab.2.3.Jmenovité hodnoty meze kluzu a meze pevnosti

tlouš�ka t [mm]

t ≤ 40 mm 40 < t ≤ 100 mm

Pevnostní t�ída oceli fy [MPa] fu [MPa] fy [MPa] fu [MPa]

S235 235 360 215 340

S275 275 430 255 410

S355 355 510 335 490

Jmenovité hodnoty podle tab.2.3.považujeme za hodnoty charakteristické. Jmenovité hodnoty meze kluzu a meze pevnosti patinujících ocelí 15 217 a 15 127 se považují rovné hodnotám pro oceli pevnostní t�ídy S355. Pro oceli v tab.2.2 neuvedené, považujeme za jmenovité hodnoty nejnižší mez kluzu a dolní hranici rozp�tí pevnosti v tahu uvedené v normách jakosti p�íslušných ocelí. Tyto hodnoty rovn�ž uvažujeme jako charakteristické hodnoty meze klu-zu a meze pevnosti p�íslušné oceli.

Celý sortiment válcovaných výrobk� (pásy, široká ocel, ploché ty�e, plechy a tvarované ty�e) pro použití na nosné ocelové konstrukce staveb a technologic-

Prvky kovových konstrukcí

28

ké za�ízení se dosud u nás vyrábí pouze v jakosti S235. Podstatné rozší�ení tradi�ního sortimentu pevnostních t�íd ocelí p�i realizaci ocelových konstrukcí bude v dalším období velmi výrazným rysem dalšího rozvoje používání efek-tivních nosných systém�.

2.5.3 Jakostní a ušlechtilé oceli vyšších a vysokých pevností

Tradi�ní technologické postupy zvyšování pevnosti oceli byly založeny zejmé-na na legování a tepelném zpracování upravujícím strukturu materiálu. Vzr�s-tající množství legujících p�ísad upravující chemické složení oceli se však m�-že projevit nep�íznivými vlivy na vrubovou houževnatost a odolnost proti k�ehkému lomu i na sva�itelnost. Nežádoucí d�sledky legování lze eliminovat složit�jšími postupy tepelného zpracování (�ízené ochlazování, zušlech�ování, tj. kalení a popoušt�ní, apod.). Výroba t�chto druh� ocelí je pom�rn� nákladná, což se projevuje výrazným zvýšením jejich ceny a rovn�ž v pr�b�hu realiza�-ního procesu je u t�chto materiál� t�eba dbát na náro�n�jší pln�ní podmínek zabezpe�ujících nezbytnou kvalitu nosné konstrukce (návrh postupu sva�ování, p�edeh�ívání již p�i st�edních tlouš�kách aj.).

Podstatou soudobých technologických postup� výroby oceli vyšších a vyso-kých pevností je minimalizace obsahu legujících prvk� a nízký obsah uhlíku. Chemické složení t�chto ocelí je podobné složení b�žných ocelí obvyklých jakostí �i nelegovaných jakostních ocelí a nemá tedy nep�íznivé d�sledky na vrubovou houževnatost a sva�itelnost projevující se u materiál� legovaných. Vysoké pevnosti je dosahováno termomechanickým válcováním nebo kalením p�i válcování s následným temperováním. Urychlené pr�b�žné ochlazování bezprost�edn� po vyválcování výrobku, resp. kalení náhlým ochlazením je rea-lizováno tryskáním intenzivního proudu vody. Zjednodušen� lze tedy uvedený technologický proces ozna�it jako legování oceli vodou p�i válcování. Násled-ným temperováním se u ocelí vysokých pevností zabezpe�í rovnom�rnost je-jich struktury., p�ijatelná tažnost a zpracovatelnost. Nové postupy výroby t�ch-to ocelí jsou efektivní též z hlediska výrobních náklad� a dávají možnost vý-razného snížení ceny ve srovnání s tradi�ními technologickými procesy.

V �eské norm� pro navrhování ocelových konstrukcí jsou zpracovány podkla-dy použitelné v zásad� pro základní konstruk�ní materiál do pevnostní t�ídy S355. Unifikovaný evropský technický p�edpis �SN P ENV 1993-1-1:1992/A1:1994 Eurokód 3 : Navrhování ocelových konstrukcí, �ást 1-1: Vše-obecn� – Obecná pravidla a pravidla pro pozemní stavby, P�íloha D – Použití ocelí t�ídy S460 a S420 umož�uje dimenzovat nosné ocelové konstrukce z ma-teriál� do pevnostní t�ídy S460. Jmenovité hodnoty meze kluzu a meze pevnos-ti pro oceli podle této normy, jež ve výpo�tech považujeme za hodnoty charak-teristické, jsou uvedeny v tab.2.4.

Výrazn� v�tšímu rozsahu praktického využívání výhod a efektivnosti materiál� vyšších pevností p�i realizaci nosných konstrukcí staveb u nás brání jednak tradi�ní dominantní orientace požadavk� praxe na oceli t�ídy S235, v n�kterých pr�myslov� vysp�lých zemích již v podstat� opušt�ná (nap�. ve Velké Británii se oceli této t�ídy již nevyráb�jí), jednak zejména též produkce domácích hut-ních podnik� dodávajících na základ� poptávky nezbytný široký konstruk�ní sortiment dimenzí tvarovaných ty�í a dalších typ� pr��ez� dosud prakticky výhradn� v této pevnostní t�íd�.

Materiál

29

Tab.2.4 Mez kluzu a mez pevnosti [MPa] ocelí S420 a S460

tlouš�ka t [mm]

t ≤ 40 mm 40 < t ≤ 100 mm

Pevnostní t�ída oceli fy [MPa] fu [MPa] fy [MPa] fu [MPa]

S460N 460 550 430 550

S460M 460 530 430 530

S420N 420 520 390 520

S420M 420 500 390 500

tlouš�ka t [mm]

t ≤ 50 mm 50 < t ≤ 100 mm 100 < t ≤ 150 mm

S460Q 460 550 440 550 400 500

Dostupnost základního sortimentu pr��ez� pro ocelové stavební konstrukce však již není v sou�asné dob� problémem. B�žn� se dodává široký sortiment válcovaných tvarových ty�í pevnostní t�ídy S235, S355 a S460. Od r. 1990 jsou dodávány válcované profily z nízkolegovaných ocelí pod ozna�ením HISTAR 355 a HISTAR 460 vyráb�né novou technologií kalením proudem vody s následným samovolným temperováním. Dosahuje se tak vysoké pev-nosti oceli bez nep�íznivých vliv� legování chemickými p�ísadami. Uvedené materiály vykazují vynikající vrubovou houževnatost p�i nízkých teplotách i sva�itelnost bez p�edeh�ívání. Sortiment pr��ez� této firmy se vyzna�uje zejména zna�ným rozsahem sortimentu t�žkých ty�ových profil� velké výšky použitelných na mimo�ádn� intenzivn� namáhané dílce vysokých budov, plošin pro t�žbu nafty v mo�i, most� a jiných náro�ných konstrukcí. V kvalit� HISTAR se dodávají nap�. pr��ezy IPE 500 až IPE 750, HE 260A až HE 1000A, HE 260B až HE 1000B, HE 260m AŽ HE 1000M a širokop�írubové sloupové pr��ezy HD 260 až HD 400 (s tlouš�kou p�írub až 125 mm a hmot-ností až 1088 kg.m-1).

Ustanovení pro navrhování ocelových konstrukcí z ocelí vyšší pevnosti než S460 nejsou v systému evropských norem dosud rozpracována. Nicmén� �ada významných evropských výrobc� oceli, jako nap�. British Steel, Dillinger Hütte, Rautaruukki, Fabrique de Fer, Thyssen Krupp Stahl �i Voest-Alpine, již v sou�asné dob� b�žn� dodává plechy pevnostní t�ídy až S700. Nové technolo-gie výroby ocelí vyšších a vysokých pevností rozpracovala a prakticky zavedla zejména p�ední švédská firma SSAB Oxelösund, �len ocelá�ského koncernu Svensk Stål Group, která vyrábí systémovou �adu materiál� pod ozna�ením WELDOX se stupnicí pevnostní t�ídy 355, 420, 460, 500, 700, 900, 960 a 1100. Jmenovitá mez pevnosti oceli WELDOX 1100 (dosud je ve vývoji) je 1200 až 1500 MPa.

Pro stavební ocelové konstrukce lze p�ijatelný rozsah pevností materiál� rozší-�it b�žn� až po t�ídu S500, oceli vyšších pevnostních t�íd až do S1100 jsou ú�eln� využitelné zejména u speciálních konstrukcí, jako jsou mobilní pohybli-

Prvky kovových konstrukcí

30

vé mosty a konstrukce, mobilní je�áby, nádrže a zásobníky, potrubí a tlakové nádoby apod.

2.5.4 Válcované výrobky

Tvary a rozm�ry válcovaných výrobk� jsou normalizované. Válcované výrob-ky je možné rozd�lit podle tvaru pr��ezu do následujících skupin:

• p�edvalky, • ty�ová ocel, • tvarová ocel, • široká ocel a plechy.

P�edvalky (obr.2.16) jsou ocelové výrobky válcované na p�edvalkové stolici. P�edvalky se používají na další válcování.

Ty�ová ocel (obr.2.16) jsou ty�e r�zných typ� pr��ez�. Tvar pr��ezu m�že být nap�. kruhový, �tvercový, plochý, šestihranný.

Tvarová ocel jsou vývalky u kterých prodloužením alespo� �ásti obvodu pr��e-zu tento pr��ez protíná.

Mezi nejb�žn�jší pr��ezy tvarové oceli používané na stavební ocelové kon-strukce jsou úhelníky, profily I, U, H, T, L. Rozm�ry pr��ez� se vyrábí podle p�íslušných rozm�rových norem. N�které typy profil� tvarové oceli jsou uve-deny na obr.2.17.

140-360

140-

360

bloky

P�edvalky

150-900

110-

200

bramy

50-130

50-1

30

sochory

Ty�ová ocel

Obr.2.16 P�edvalky a ty�ová ocel

Materiál

31

I IE IPE

HEA HEB HEM

b

hd

R

rt

b/4

r

R R

R RR

d d

t

b/4

t

h h

b b

t t td d d

h

b b b

h

h

Obr.2.17 Válcované ty�e I a H

Široká ocel a plechy je dalším typem válcovaných výrobk�. Široká ocel se vál-cuje na universálních válcovacích �ty�válcových stolicích. Vzdálenost dvojic válc� ležících naproti sob� je možné m�nit, takže vznikají r�zné kombinace ší�ek a tloušt�k válcovaného pr��ezu.

Plech se válcuje mezi dv�ma válci. Plechy se d�lí na:

� hladké,

� žebrované,

� plechy s oválnými výstupky,

� vlnité,

� trapézové.

Prvky kovových konstrukcí

32

2.5.5 Dráty, lana, kabely

Dráty se vyrábí zpravidla válcováním. Dráty menšího pr�m�ru se vyrábí taže-ním. V ocelových konstrukcích se používají zejména vysokopevnostní kruhové patentované dráty. Dráty se zpravidla sdružují do svazk� – kabel�.

2.5.6 Trubky

Trubky používané v ocelových konstrukcích (obr.2.18) se vyrábí jako sva�ova-né, bezešvé a p�esné ocelové trubky. Na sva�ované trubky se nekladou žádné speciální požadavky, používají se na pod�adné ú�ely.

Bezešvé trubky se zpravidla vyráb�jí válcováním. Jejich st�na je celistvá, bez jakéhokoliv spoje nebo švu. Jsou nejvhodn�jším konstruk�ním materiálem na trubkové ocelové konstrukce. Vyráb�jí se i �tvercového nebo obdélníkového pr��ezu.

P�esné ocelové trubky mohou být sva�ované i bezešvé, jsou dodate�n� za stu-dena tažené nebo válcované. Používají se zejména tam, kde jsou kladeny mi-mo�ádné nároky na povrch trubky a na dodržení p�esných tolerancí a na tlouš�-ku st�ny.

Obr.2.18 Trubkové profily

2.5.7 Profily tvarované za studena

Tenkost�nné profily d�líme na otev�ené a uzav�ené. Otev�ené se vyrábí tvaro-váním pásové oceli za studena. Uzav�ené se vyrábí tažením za studena ze sva-�ovaných trubek kruhového pr��ezu. Požadovaného tvaru profilu m�žeme do-sáhnout válcováním, tažením a lisováním. P�íklady tenkost�nných profil� pro stavební konstrukce jsou uvedeny na obr.2.19.

Materiál

33

b b

h h

aa

a a a

aaa

t

t t

t

t

t

Obr.2.19 Tenkost�nné profily

Dráty vysoké pevnosti a lana se používají v ocelových konstrukcích jako sa-mostatné nosné prvky, kotvící prvky, a p�epínací prvky. Dráty a kabely je možné rozd�lit do následujících skupin:

� kruhové dráty,

� patentové dráty na p�epínací výztuž,

� dráty na výrobu lan,

� kabely,

� z patentovaných drát�,

� z drát� na výrobu lan.

Lana se rozd�lují na:

� vinuté,

� skládané.

Vinutá lana jsou splétaná z jednotlivých drát� a pramen�. Jednopramenové lano m�že být otev�ené nebo uzav�ené. Lano jednopramenové, šestiprameno-vé a jednopramenové uzav�ené je uvedeno na obr.2.20.

Prvky kovových konstrukcí

34

Skládaná lana jsou obvykle svazky t�sn� se dotýkajících drát�, které vytvá�ejí obvykle šestiúhelníkový pr��ez.

Obr.2.20 Lana

Mezní stavy

35

3 Mezní stavy

P�i navrhování ocelových konstrukcí se uvažují dv� skupiny mezních stav�, mezní stav únosnosti a mezní stav použitelnosti.

Dosažením mezního stavu únosnosti rozumíme:

• porušení stability polohy, • p�ekro�ení pevnosti nebo nadm�rné plastické deformace, • ztrátu stability tvaru konstrukce nebo n�které její �ásti, • únavový lom, • k�ehký lom, • plastické poškození p�i prom�nném zatížení.

Dosažením mezního stavu použitelnosti rozumíme:

• nadm�rné pr�hyby, • nep�ijatelnou dynamickou odezvu (nap�. kmitání apod.).

P�i správném navržení konstrukce nesmí být žádný z možných mezních stav� p�ekro�en. Je nutné uvažovat všechny možné návrhové situace a zat�žovací p�ípady, v�etn� b�žného užívání, montáže, oprav i nehod.

Výpo�etní modely mají zahrnovat všechny d�ležité faktory, v�etn� odhadu skute�ného chování konstrukce, úrovn� výroby a spolehlivost vstupních dat. Podle pot�eby je možné výpo�et doplnit nebo nahradit experimentem podle normativních p�edpis�.

Aby byla zajišt�na požadovaná trvanlivost konstrukce, je t�eba ve výpo�tu uva-žovat následující navzájem související �initele:

• ú�elu konstrukce • požadavku na funkci konstrukce • o�ekávaných podmínek prost�edí • vlastností materiálu • tvaru konstruk�ních prvk� a konstruk�ních detail� • úrovn� provád�ní, kontroly a údržby • ochranných opat�ení • o�ekávané doby života konstrukce ( za standard se považuje 80 let).

3.1 Vlastnosti materiálu

Vlastnost materiálu se vyjad�uje charakteristickou hodnotou Xk, která je defi-nována jako 5 % kvantil statistického rozložení p�íslušné materiálové vlastnos-ti. Z charakteristické hodnoty se pomocí díl�ích sou�initel� spolehlivosti γΜ vypo�ítá návrhová hodnota Xd, která p�ísluší návrhovému kvantilu pro vznik mezního stavu. Hodnoty návrhové pevnosti se ur�í ze vztahu:

M

kd

ff

γ= ,

Prvky kovových konstrukcí

36

kde fk je charakteristická hodnota pevnostní veli�iny (meze kluzu fy nebo pevnosti v tahu fu),

γΜ je díl�í sou�initel spolehlivosti materiálu.

Pokud jsou k dispozici pot�ebné údaje, je možné návrhové nebo charakteris-tické hodnoty pevnostních veli�in materiálu ur�it statistickým výpo�tem. Ná-vrhové hodnoty jiných materiálových veli�in se ur�ují obdobným zp�sobem jako návrhová pevnost (viz výše). Výjimky jsou uvedeny v normativních p�ed-pisech. Pokud nejsou charakteristické hodnoty materiálových veli�in známy, lze je nahradit , podle pokyn� p�íslušné normy, jmenovitými hodnotami.

3.2 Podmínky spolehlivosti

Stavební konstrukce musí vyhov�t daným požadavk�m spolehlivosti a to pro oba mezní stavy.

Pro mezní stav únosnosti musí byt spln�na podmínka:

ddn RS ≤⋅γ ,

kde Sd je ú�inek extrémního návrhového zatížení,

Rd návrhová únosnost,

γn sou�initel ú�elu konstrukce podle �SN 73 0031.

Pro mezní stav použitelnosti je t�eba posoudit, zda ú�inky od provozního návr-hového zatížení nejsou v�tší než p�íslušné mezní hodnoty.

3.3 Mezní stavy únosnosti

Pro výpo�et prvního mezního stavu únosnosti musíme ur�it návrhové pevnosti oceli a to návrhovou pevnost odvozenou z meze kluzu fy nebo meze pevnosti v tahu fu.

Hodnota návrhové pevnosti fyd oceli, odvozená od meze kluzu, se ur�í z výra-zu:

M

yyd

ff

γ= ,

kde fy je charakteristická hodnota meze kluzu oceli,

γM díl�í sou�initel spolehlivosti materiálu γM0 nebo γM1 uvedený

v tab.3.1

Hodnota návrhové pevnosti fud oceli, odvozená od pevnosti v tahu, se ur�í z výrazu:

2M

uud

ff

γ= ,

kde fu je charakteristická hodnota pevnosti oceli v tahu,

Mezní stavy

37

γM2 díl�í sou�initel pr��ezu oslabeného dírami pro šrouby nebo nýty

dle tab.3.1 .

Tab.3.1 Díl�í sou�initele pr��ezu pevnostní t�ída oceli podle �SN EN

10025+A1 únosnost γΜ S235 S275 S355

pr��ezy t�ídy 1, 2, 3 γΜ0

pr��ezy t�ídy 4 γΜ1

stabilita γΜ1

1,15

pr��ezy oslabené dírami pro šrouby γΜ2 1,3

P�i návrhu ocelových konstrukcí m�že být využito plastických vlastností oceli pokud jsou spln�ny následující podmínky:

• pom�r charakteristických hodnot pevnosti v tahu fu a meze kluzu fy je ale-spo� 1,20,

• tažnost materiálu je alespo� 15 %.

3.4 Mezní stavy použitelnosti

Mezní stav použitelnosti je takový stav, p�i kterém je ztížené b�žné používání konstrukce. Konstrukce p�estává sloužit svojí funkci.

Ur�ení mezních hodnot použitelnosti závisí na vztahu ú�ink� p�edpokládaných zatížení a provozních požadavk� z hlediska �ádného pln�ní požadované funkce konstrukce. Ú�inky zatížení jsou z hlediska použitelnosti vyjád�eny zejména:

• pružným p�etvo�ením, • dynamickou odezvou, vyjád�enou nap�. frekvencí nebo zrychlením, • pružnoplastickým p�etvo�ením, p�i�emž plastickou redistribuci sil a momen-

t� lze p�ipustit pouze za p�edpokladu, že se prokazateln� nebude opakovat, • p�emíst�ním konstrukce, nap�. na poddolovaném území, • otevíráním styk�, prokluzem ve spojích apod., • vlivem provozované konstrukce na okolní prost�edí, nap�. hlukem vnikají-

cím p�i zatížení konstrukce.

Požadavky z hlediska použitelnosti konstrukce jsou:

• zachování kvality životního prost�edí, • pohoda �lov�ka, v�etn� estetického dojmu, • správná funkce stavby a v ní umíst�ných stroj� a za�ízení, • vylou�ení nebo omezení poruch výpl�ového a jiného stavebního vybavení

objektu, • návaznost objektu v�etn� ocelové nosné konstrukce na inženýrské sít�, ko-

munikace sousední objekty apod.,

Prvky kovových konstrukcí

38

• vodot�snost a plynot�snost, je- li vyžadována.

P�i mezním stavu použitelnosti se posuzuje, zda ú�inky od provozního návrho-vého zatížení nejsou v�tší, než mezní hodnoty uvedené v norm�. Je také t�eba p�ihlédnout ke zvláštním výrobním nebo provozním opat�ením, které ovliv�ují použitelnost konstrukce, jako jsou nap�. nadvýšení a rektifikovatelnost kon-strukce apod.

Výpo�et pružného svislého pr�hybu se ur�í z výrazu (obrázek 3.1):

021max δδδδ −+= ,

kde δmax je výsledný pr�hyb vztažený k p�ímce spojující podpory,

δ0 nadvýšení nosníku v nezatíženém stavu – stav (0),

δ1 pr�hyb nosníku od stálých zatížení vzniklý bezprost�edn� po za-tížení – stav (1),

δ2 sou�et pr�hyb� nosník� od nahodilých zatížení a �asový nár�st od stálých zatížení – stav (2).

obr.3.1 Svislé pr�hyby

Klasifikace pr��ezu

39

4 Klasifikace pr��ezu

Pr��ezy se klasifikují podle štíhlosti a únosnosti jejich jednotlivých tla�ených a ohýbaných �ástí, tj. stojin a pásnic. V závislosti na klasifikaci rozhodujících pr��ez� lze m�že uplatnit plasticitní nebo pružnostní výpo�et ocelových prut� a konstrukcí.

Definují se �ty�i t�ídy pr��ez�:

• pr��ezy 1. t�ídy – je možné v nich p�edpokládat úplný plastický kloub s do-state�nou kapacitou pootá�ení pro redistribuci vnit�ních sil

• pr��ezy 2. t�ídy – je možné p�edpokládat plnou plastickou ohybovou únos-nost, pr��ezy mají omezenou kapacitu pootá�ení

• pr��ezy 3. t�ídy – u nich je možné p�edpokládat pouze plnou pružnou únos-nost, definovanou dosažením návrhové pevnosti v nejvíce namáhaných tla-�ených vláknech

• pr��ezy 4. t�ídy – jejich ohybová nebo tlaková únosnost je v d�sledku lokál-ního boulení st�n nebo pásnic menší, než je jejich plná pružná únosnost.

Maximální štíhlosti tla�ených a ohýbaných �ástí pr��ez� pro definované t�ídy 1, 2 a 3 obsahuje tab.4.1. Pr��ez se za�azuje podle nejnep�ízniv�jší (nejvyšší) t�ídy jeho jednotlivých �ástí. Pr��ezy, spl�ující maximální štíhlosti pro t�ídy 1, 2 nebo 3, se považují za kompaktní. Pr��ezy t�ídy 4, které nespl�ují požadavky maximálních štíhlostí pro t�ídu 3, se považují za štíhlé.

Ú�inné vlastnosti pr��ez� 4. t�ídy se stanoví na základ� efektivních ší�ek tla�e-ných �ástí. Efektivní ší�ky rovných tla�ených �ástí se ur�í podle tab.4.2, pro které se reduk�ní sou�initel ρ stanoví následovn�:

• pro λ´p 0,673 ρ = 1,

• pro λ´p> 0,673 ρ = (λ´

p – 0,22)/λ´p

2 ,

kde pλ je pom�rná desková štíhlost daná vztahem:

σεσλ

kt

bf

cr

yp ×××

′==

4,28,

kde t je tlouš�ka tla�ené �ásti,

σcr kritické nap�tí p�i boulení této �ásti,

kσ sou�initel kritického nap�tí z tab.4.2 ,

yf

235=ε ,

b´ ší�ka, která je:

b´ = d pro stojiny

b´ = b pro vnit�ní �ásti pásnic s výjimkou hranatých trubek

b´ = c pro p�e�nívající �ásti pásnic

Prvky kovových konstrukcí

40

b´ = b-3t pro pásnice hranatých trubek

b´ = h pro úhelníky, pro nerovnoramenné úhelníky je h delší

rameno

Tab.4.1 Zat�íd�ní pr��ezu

(a) Stojny: vnit�ní �ásti kolmé k ose ohybud

tw tw dtw

d

tw

tf

h

T�ídaStojna namáhaná ohybem

Stojnanamáhaná tlakem

Stojna namáhaná tlakem a ohybem

Rozd�lenínap�tí postojn�, tlakje zna�enkladn�,plastickép�sobení

+fy

-fy

hd

+fy

+fy

hhd

+fy

-fy

hdα

. d+

-

+

-+

+

1 d/tw < 72ε d/tw < 33ε d/tw < 396ε/(13α-1);pro α>0,5d/tw < 36ε/(13α-1);pro α<0,5

2 d/tw < 83ε d/tw < 38ε d/tw < 456ε/(13α-1);pro α>0,5d/tw < 41,5ε/(13α-1);pro α<0,5

Rozd�lenínap�tí postojn�, tlakje zna�enkladn�,pružnép�sobení

+fy

-fy

hd

+fy

+fy

hhd

+fy

-ψfy

hd

+

-

+

-+

+

3 d/tw < 124ε d/tw < 42εd/tw < 42ε/(0,67+0,33ψ);pro ψ>−1d/tw < 62ε/(1-ψ) (-ψ);pro ψ<−1

(c) P�e�nívající �ásti pásnic

T�ída/pr��ezPásnice v tlaku

Stojnanamáhaná tlakem

Stojna namáhaná tlakem a ohybem

Pr�b�h nap�tív pásnici, tlak zna�en kladn�.

1c/tf < 10ε

2

tf

c

tf

c

tf

c

tf

c

válcované pr��ezy sva�ované pr��ezy

+

c

+

αc

+

- -

αc

c c

válcovanésva�ované

válcovanésva�ované

c/tf < 9ε

c/tf < 11εc/tf < 10ε

c/tf < 10ε/αc/tf < 9ε/α

c/tf < 11ε/αc/tf < 10ε/α

c/tf < 10ε/(α α )c/tf < 9ε/(α α )

c/tf < 11ε/(α α )c/tf < 10ε/(α α )

Pr�b�h nap�tív pásnici, tlak zna�en kladn�.

+

c

+ +- -

c c

3c/tf < 10εválcované

sva�ované c/tf < 9εc/tf < 23ε/ kσ )c/tf < 21ε/ kσ )

kσ dle tabulky f,g

(b) Vnit�ní �ásti pástnic rovnob�žné s osou ohybu

T�ída/pr��ez Pr��ez v ohybu Pru�ez v tlaku

Pr�b�h nap�tív pásnici a v pr��ezu, tlak zna�en kladn�.

1

2

válcované uzav�enéostatní

(b-3tf)/tf < 33εb/tf < 33ε

3

tf

b

tf

b

tf

b

b

tf

Pr�b�h nap�tív pásnici a v pr��ezu, tlak zna�en kladn�.

válcované uzav�enéostatní

válcované uzav�enéostatní

+fy

+

-

+fy

+

+fy

+

-

+fy

+

(b-3tf)/tf < 42εb/tf < 42ε

(b-3tf)/tf < 42εb/tf < 42ε

(b-3tf)/tf < 38εb/tf < 38ε

(b-3tf)/tf < 42εb/tf < 42ε

(b-3tf)/tf < 42εb/tf < 42ε

(d) Úhelníky ( neplatí pro úhelníky pr�b�žn� spojené s jinými profily

Pr�b�h nap�tív pr��ezu, tlak zna�en kladn�.

2

h

tb

t+fy

+fy

T�ída Pr��ez v tlaku

1

3

h/t < 10εh/t < 11ε

h/t < 15ε a sou�asn� (b+h)/2t<11,5εPro úhelník namáhany ohybem nebo kombinací platí tabulka c

(e) Trubky

d t

2

T�ída Pr��ez v tlaku, ohybu , v tlaku a ohybu

1

3

d/t < 50ε2

d/t < 70εd/t < 90ε

2

2

fy 235 275 355

ε = 235/fy 235 275 355

Klasifikace pr��ezu

41

Tab.4.2 Efektivní ší�ky pr��ez�

(f) Efektivní ší�ky, vnit�ní tla�ené �ásti pr��ezu (g) Efektivní ší�ky, p�e�nívající �ásti pr��ezu

+

be1 be2b

σ1 σ2

+

be1 be2b

σ1 σ2

+

be1 be2b

σ1σ2

Nap�tí, tlak má kladné znaménko Efektivní ší�ka beff

ψ = +1

beff = ρ.b

be1 = 0,5 . beff

be2 = 0,5 . beff

1>ψ>0

beff = ρ.b

be1 = 2beff/(5-ψ)

be2 = beff - be1

ψ<0

beff = ρ.bc = ρ.b/(1-ψ)

be1 = 0,4 . beff

be2 = 0,6 . beff

Nap�tí, tlak má kladné znaménko Efektivní ší�ka bef

ψ = σ1/σ2 +1 1>ψ>0 0sou�initel krit.nap�tí kσ

sou�initel krit.nap�tí kσ

4,0 8,2/(1,05+ψ) 7,81

ψ = σ1/σ2 −10>ψ> −1 −1>ψ> −2

7,81−6,29ψ+9,78ψ 23,92 5,98(1−ψ )2

Jinak pro 1>ψ>-1 platí p�ibližn�:

kσ =16

[(1+ψ) + 0,112(1−ψ) ] + (1+ψ)2 2 0,5

Pom�r nap�tí ψ lze u pásnic vypo�ítat pro plný pru�ez, u stojin pro pr��ez s plnou stojnou a efektivní tla�enou pásnicí

+

beff b

σ2 σ1

+

bt

bcbσ2

σ1

sou�initel krit.nap�tí kσ

ψ = σ2/σ1

sou�initel krit.nap�tí kσ

ψ = σ2/σ1 −1+1 1>ψ> −1

0,43 0,85 0,57�0,21ψ+0,07ψ2

ψ<0

beff = ρ.bc = ρ.c/(1-ψ)

1>ψ>0

beff = ρ.c

beff

0

0,57

+

beffb

σ2σ1

+

bt

bc b σ2

σ1beff

ψ<0

beff = ρ.bc = ρ.c/(1-ψ)

1>ψ>0

beff = ρ.c

−1+1 0>ψ> −1

0,43 23,81,7�5ψ+17,1ψ

0

1,70

1>ψ> 0

0,578/(ψ+0,34) 2

4.1 Požadavky na pr��ezy p�i pružnostním výpo�tu vnit�ních sil

Podle zat�íd�ní pr��ezu po�ítáme s jeho ohybovou únosností následovn�:

• ohýbané a tla�ené �ásti pr��ezu spl�ují požadavky pro t�ídu 3 – po�ítá se s jejich pružnou ohybovou únosností

• ohýbané a tla�ené �ásti pr��ezu spl�ují stabilitní požadavky pro t�ídu 2 – m�že se po�ítat s plnou plastickou ohybovou únosností nejvíce namáhaného pr��ezu

• pro pr��ezy t�ídy 1 nebo 2 lze ve staticky neur�itých konstrukcích momenty získané pružnostním výpo�tem podle teorie 1. �ádu p�erozd�lit až o 15% ex-trémního pružného momentu každého prutu za p�edpokladu, že vnit�ní síly a momenty v konstrukci z�stanou v rovnováze s vn�jším zatížením

• u štíhlých pr��ez� t�ídy 4 je t�eba po�ítat s jejich redukovanou tlakovou ne-bo ohybovou únosností v d�sledku jejich tla�ených �ástí.

4.2 Požadavky na pr��ezy p�i plastickém výpo�tu vnit�ních sil

Plasticitní výpo�et vnit�ních sil a moment� se m�že uplatnit u staticky neur�i-tých konstrukcí, jestliže pr��ezy v místech plastických kloub� spl�ují požadav-

Prvky kovových konstrukcí

42

ky pro t�ídu 1 podle tab.4.1. Pr��ezy v místech plastických kloub� mají mít zatížení v rovin� symetrie a mají být p�í�n� vyztužené.

P�i plastickém výpo�tu musí být konstrukce v místech plastických kloub� p�í�-n� zabezpe�ena proti vybo�ení, p�i�emž ztužující p�í�ná podpora nesmí být od místa teoretického plastického kloubu vzdálena více, než je polovina výšky pr��ezu.

U prutu prom�nného pr��ezu má být ohýbaná stojina a tla�ená pásnice t�ídy 1 minimáln� do vzdálenosti rovné dvojnásobku výšky stojiny od místa plastické-ho kloubu. V ostatních �ástech prutu má být tla�ená pásnice t�ídy 1 nebo 2 a ohýbaná stojina t�ídy 1, 2 nebo 3, p�i�emž by m�ly být v každém pr��ezu spl-n�ny podmínky únosnosti podle normativních p�edpis�.

Plasticitní výpo�et lze uplatnit i u pr��ez� se stojinami, jejichž štíhlost je v�tší než maximální štíhlost t�ídy 1 a 2. Lokální stabilita takové stojiny ale musí být v místech plastických kloub� zajišt�na pomocí dostate�n� tuhých p�í�ných a podélných výztuh.

Stabilizující p�í�né a podélné výztuhy je t�eba navrhnout tak, aby p�echázely až do pružných oblastí namáhání prutu. Potom se podle tab.4.1 posuzuje:

• �ást stojiny mezi tla�enou pásnicí a podélnou výztuhou jako tla�ená obou-strann� podep�ená stojina

• �ást stojiny mezi podélnou výztuhou a taženou pásnicí jako ohýbaná obou-strann� podep�ená stojina.

Záv�r

43

5 Záv�r

V této �ásti modulu jsou numericky vy�ešeny t�i p�íklady. Prvé dva p�íklady se vztahují ke klasifikaci pr��ezu, t�etí p�íklad se zabývá ur�ením ú�inných vlast-ností pr��ezu t�ídy 4. Dále tato �ást obsahuje kontrolní otázky a shrnutí pro-blematiky tohoto modulu.

5.1 P�íklady

P�íklad 1

Klasifikujte otev�ený sva�ovaný pr��ez sloupu podle obr.5.1, použitý materiál je ocel S275. Stojina i pásnice jsou namáhány tlakem.

Obr.5.1Sva�ovaný pr��ez

Poznámka 1 Pro klasifikaci pr��ezu byl použit postup dle �SN 73 1401 Navrhování ocelových

konstrukcí.

2 Klasifikace pr��ez� byla provedena podle Tabulky 6.2.dokumentu �SN 73 1401, resp. podle tabulky tab.4.1 tohoto modulu.

3

� Stojina

924,0275235235 ===

yfε

1,35924,038385,30924,03333

2,3310332

=⋅=⋅<=⋅=⋅>

==εε

�

wtd

Stojina odpovídá svojí klasifikací 2. t�íd�.

Prvky kovových konstrukcí

44

� P�e�nívající �ásti pásnic

32,8924,09975,71293 =⋅=⋅<== ε

ftc

Pásnice odpovídá svojí klasifikací 1. t�íd�, viz tab.4.1. � Celková klasifikace pr��ezu

O celkové klasifikaci pr��ezu rozhoduje �ást pr��ezu s vyšším zat�íd�ním. V tomto p�ípad� pásnice. Pr��ez odpovídá svojí klasifikací 2. t�íd�. P�íklad 2

Klasifikujte uzav�ený sva�ovaný pr��ez podle obr.5.2, použitý materiál je ocel S235. Pr��ez je namáhám ohybem v rovin� v�tší tuhosti.

Obr.5.2 Sva�ovaný uzav�ený pr��ez

Poznámka 4 Pro klasifikaci pr��ezu byl použit postup dle �SN 73 1401 Navrhování ocelových

konstrukcí.

5 Klasifikace pr��ez� byla provedena podle Tabulky 6.2. dokumentu �SN 73 1401, resp. podle tabulky tab.4.1 tohoto modulu.

� Stojina

ε = 1

83183837217272

5,3728

580=⋅=⋅<=⋅=⋅>

==εε

�

wtd

Stojina odpovídá svojí klasifikací 2. t�íd�, viz tab.4.1. � Vnit�ní �ásti pásnic

Záv�r

45

331333375,1816300 =⋅=⋅<== ε

ftb

Vnit�ní �ásti pásnic odpovídají svojí klasifikací t�íd� 1, viz tab.4.1. � P�e�nívající �ásti pásnic

919913,61698 =⋅=⋅<== ε

ftc

P�e�nívající �ásti pásnic odpovídají svojí klasifikací t�íd� 1, viz tab.4.1. � Celková klasifikace pr��ezu Pr��ez odpovídá svojí klasifikací 2.t�íd�. P�íklad 3 Ur�ete ú�inné vlastnosti sva�ovaného ohýbaného pr��ezu podle obr.5.3., použitý materiál je ocel S235.

obr.5.3 Sva�ovaný ohýbaný pr��ez

3.1 Zat�íd�ní pr��ezu

919904,624

145 =⋅=⋅<=== εβf

f tc pásnice je t�ídy 1

124112412418010

1800 =⋅=⋅>=== εβw

w td stojina je t�ídy 4 – rozhoduje

Desková štíhlost

30,19,231014,28

1800

4,28=

⋅⋅⋅=

⋅⋅⋅=

σελ

kt

d

w

p

sou�initel kritického nap�tí

9,23=σk

Prvky kovových konstrukcí

46

reduk�ní sou�initel

164,030,1

22,030,122,022 ≤=−=

−=

p

p

λλ

ρ

p�sobící ší�ka st�ny

mmbb

mmbb

mmbb

effee

effee

eeffe

6,3455766,06,0

4,2305764,04,0

57690064,0

,2

,1

,

=⋅=⋅=

=⋅=⋅=

=⋅=⋅= ρ

efektivní pr��ezové veli�iny + nová poloha neutrální osy

( )

3710

,,,

410

2323

2323,

4

6

24

26

1052,12,980

1049,1

1049,1

2,9682430024300121

1,3162,632102,63210121

9,4218,843108,84310121

8,8552430024300121

2,561092,21064,1

1092,29006,3454,23010243002

1064,12

3246,34532410

mmz

IW

mm

I

mmA

Se

mmA

mmS

c

yeffeyeff

yeff

eff

yNy

eff

y

⋅=⋅==

⋅=

=⋅⋅+⋅⋅+⋅⋅+⋅⋅+

+⋅⋅+⋅⋅+⋅⋅+⋅⋅=

=⋅⋅==

⋅=++⋅+⋅⋅=

⋅=��

���

� +⋅⋅=

Záv�r

47

5.2 Kontrolní otázky

1 Popište základní druhy tepelného zpracování oceli.

2 Vysv�tlete obsah pojmu „rekrystalizace oceli“.

3 Vysv�tlete rozdíl mezi uklidn�nou a neuklidn�nou ocelí.

4 Vyjmenujte základní fyzikální charakteristiky oceli.

5 Jaké jsou základní mechanické vlastnosti oceli, vysv�tlete pracovní dia-gram oceli, vysv�tlete rozdíl mezi smluvním a skute�ným pracovním dia-gramem..

6 Jaké zkoušky oceli znáte, popište jednotlivé typy.

7 Vyjmenujte druhy konstruk�ních ocelí, popište rozdíly mezi nimi.

8 Jaký znáte sortiment ocelových konstruk�ních materiál�?

9 Vysv�tlete princip navrhování ocelových konstrukcí podle metodiky mez-ních stav�.

10 Jakým zp�sobem se klasifikují pr��ezy v procesu návrhu ocelových kon-strukcí?

5.3 Shrnutí

Modul, který jste prostudovali, obsahuje základní informace o materiálu oceli jako takové, tzn. o struktu�e, výrob�, fyzikálních a mechanických vlastnostech a zkouškách oceli. Uveden je také základní sortiment ocelových konstruk�ních materiál�. Stru�n� je uvedena taktéž metodika navrhování ocelových konstruk-cí podle mezních stav� a postup p�i klasifikaci pr��ez�.

Cílem p�edloženého textu je shrnout obecné znalosti o oceli jakožto stavebním materiálu a p�ipravit výchozí pozici pro navrhování ocelových konstrukcí podle �SN 73 1401 Navrhování ocelových konstrukcí.

Výše uvedená problematika je pojata obecn�, bez vazby na konkrétní typ stavební konstrukce u oceli.

Aplikována bude tato problematika v dalších díl�ích modulech této studijní opory „Prvky ocelových konstrukcí“ a v následných studijních oporách pro studijní programy s kombinovanou formou výuky zabývajících se návrhem a posouzením ocelových konstrukcí a to jak ve studiu bakalá�ském, tak ve studiu magisterském.

Prvky kovových konstrukcí

48

6 Studijní prameny

6.1 Seznam použité literatury

[1] VO�ÍŠEK, V., CHLADNÝ, E., MELCHER, J. Prvky kovových konstrukcí, Bratislava: Alfa, vydavatelství technické a ekonomické literatury, SNTL, 1984.

[2] FERJEN�ÍK, P., SCHUN, J., MELCHER, J., VO�ÍŠEK, V., CHLADNÝ, E. Na-vrhovanie oceových konštrukcií, 1. �as. Bratislava: Alfa / SNTL, 1986.

[3] FERJEN�ÍK, P., LEDERER, F., SCHUN, J., MELCHER, J., VO�ÍŠEK, V., CHLADNÝ, E. Navrhovanie oceových konštrukcií, 2. �as. Bratislava: Alfa / SNTL, 1986.

[4] HRALA, F., Návod pro volbu jakosti oceli pro sva�ované ocelové kon-strukce pozemního a inženýrského stavitelství, Sborník ze seminá�e „Ocelové konstrukce“, �VUT Praha, 1998, s. 9-12.

[5] BAJER, M., PILGR, M., VESELKA, M. Konstrukce a dopravní stavby, mo-dul BO01 – MO, Studijní opora pro studijní programy s kombinovanou formou studia, Fakulta stavební VUT v Brn�, 2004.

6.2 Seznam dopl�kové studijní literatury

[6] �SN 73 1401 Navrhování ocelových konstrukcí. �eský normaliza�ní institut, ú�innost od1998.

[7] �SN P ENV 1993-1-1 Navrhování ocelových konstrukcí. �ást 1-1: Obecná pravidla a pravidla pro pozemní stavby. Praha: �SNI, 1994.

[8] �SN 73 0035 Zatížení stavebních konstrukcí, schválená 19. 12. 1986, v�etn� Zm�ny a) – 8/1991 a Zm�ny 2) – 2/1994