LABORATORIUM zajęcia 3 Z KONSTRUKCJI BETONOWYCH

Transkrypt

1 Politechnika Krakowska Wydział Inżynierii Lądowej Instytut Materiałów i Konstrukcji Budowlanych Zakład Konstrukcji Sprężonych LABORATORIUM zajęcia 3 Z KONSTRUKCJI BETONOWYCH Stal sprężająca ĆWICZENIE 1 określenie parametrów mechanicznych stali sprężającej

2 1. Formowanie stali sprężającej - podział FORMOWANIE WYROBÓW STALOWYCH OBRÓBKA NA GORĄCO WALCOWANIE OBRÓBKA NA ZIMNO PRZECIĄGANIE autor: mgr inż. Mateusz Surma 2

3 2. Formowanie stali sprężającej - produkty ELEMENTY WALCOWANE ELEMENTY CIĄGNIONE PRĘTY SPRĘŻAJĄCE DRUTY I SPLOTY SPRĘŻAJĄCE autor: mgr inż. Mateusz Surma 3

4 2. Formowanie stali sprężającej - produkty Stal wysokiej wytrzymałości to znaczy jakiej? 1. Sploty trójdrutowe (5,2-7,5mm) nominalna wytrzymałość R m = MPa, 2. Sploty trójdrutowe (8,85-18mm) nominalna wytrzymałość R m = Mpa 3. Druty: R m = 1860 MPa, dla średnic z zakresu 3,0 5,0 mm R m = 1770 MPa, dla średnic z zakresu 3,2 6,0 mm R m = 1670 MPa, dla średnic z zakresu 6,9 8,0 mm R m = 1570 MPa, dla średnic z zakresu 9,4 10,0 mm 4. Pręty R m = MPa, dla średnic z zakresu mm. autor: mgr inż. Mateusz Surma 4

5 2. Formowanie stali sprężającej - produkty a) Stal wysokowęglowa ciągniona na zimno druty gładkie z wysokowęglowej stali o średnicach od 2 do 10 mm, wiązki drutów gładkich (kable wielodrutowe), druty profilowane, nagniatane lub falowane, sploty 2, 3, 7 lub 19 drutów 2 do 7 mm, sploty 7-drutowe zagęszczone, mające w przekroju jeden prosty drut kołowy i 6 drutów spłaszczonych, wiązki równoległe splotów (kable wielosplotowe), liny z drutów o przekroju kołowym otwartym lub zamkniętym, b) Pręty ze stali stopowych walcowych pręty gładkie ze stali wysokostopowej mm, pręty ze stali wysokostopowej profilowane, o przekroju kołowym lub soczewkowym, użebrowane lub skręcane. autor: mgr inż. Mateusz Surma 5

6 3. Formowanie stali sprężającej - właściwości Stal wysokowęglowa przeciągana na zimno Stal o zwiększonej zawartości węgla (do ok., 0,9%) oraz domieszki manganu, krzemu, chromu, niklu, miedzi, molibdenu i wanadu. Stale te charakteryzują się wysoką wytrzymałością, ale też większą kruchością. Stal stopowa walcowana na gorąco Charakteryzuje się niższą wytrzymałością od stali wysokowęglowej ale za to lepszą odpornością na korozję oraz podwyższone temperatury. autor: mgr inż. Mateusz Surma 6

7 3. Formowanie stali sprężającej - zależność d - e Stal formowana na gorąco Stal formowana na zimno s f tk f yk s f tk f yk e uk e e uk e autor: mgr inż. Mateusz Surma 7

8 4. Wysoka wytrzymałość stali sprężającej Wysoka wytrzymałość stali sprężającej otrzymywana jest w wyniku: Zwiększonej zawartości węgla od 0.1% do 0.9% (zwiększenie wytrzymałości 4 do 5 razy) Obróbka termiczna w postaci hartowania, patentowania (kąpiel w roztopionym ołowiu lub soli, ze wstępnym naciągiem w celu zmniejszenia relaksacji); zwiększenie wytrzymałości 2 do 3 razy Obróbka mechaniczna. Kilkakrotne przeciąganie na zimno przez dyszę, powodujące powstanie laminarnej struktury, zwiększa wytrzymałość nawet dwukrotnie. (przeciąganie na zimno przez dyszę kalibrującą z twardych spieków węgla i zgniatanie powierzchniowe) Uwaga. Zawartość węgla (ponad 0.7%) powoduje kruchość, pogorszenie właściwości plastycznych oraz istotnie zmniejsza odporność korozyjną autor: mgr inż. Mateusz Surma 8

9 5. Właściwości stali sprężającej GEOMETRYCZNE Wymiary przekroju Średnica, Druty: 2,5 mm < < 10 mm Sploty z 3 lub 7 drutów: 5,2 mm < < 16 mm Pręty: 15 mm < < 50 mm Pole przekroju MECHANICZNE Charakterystyczna wytrzymałość na rozciąganie fpk Siła zrywająca pręty Fpk ( 190 kn Fpk 1500 kn ), Moduł sprężystości stali drutów i prętów E p =200GPa, dla stali splotów E p =190 GPa, Charakterystyczna granica plastyczności fp0,1k > 0,85 fpk, Charakterystyczne odkształcenie stali e uk 3,5% odpowiadające maksymalnej sile rozciągającej, Charakterystyka relaksacji stali w ciągu 1000 h : klasa 1 wysoka relaksacja drutów i splotów, klasa 2 niska relaksacja drutów i splotów, klasa 3 niska relaksacja prętów, Wytrzymałość zmęczeniowa, określana jako minimalny zakres zmian naprężeń σ przy górnym poziomie naprężenia σ p = 0,7 f pk i cykli obciążeń: σ 170 MPa dla splotów z drutów nagniatanych, σ 180 MPa dla drutów nagniatanych i prętów żebrowanych σ 190 MPa dla splotów z drutów gładkich, σ 200 MPa dla drutów i prętów gładkich, TECHNOLOGICZNE Własności powierzchni-owe powłoki, dopuszczalne naloty, Odporność na korozję naprężeniową, badaną przy naprężeniu 0,8 fpk w roztworze rodanku amonowego NH4SCN. Miarą odporności jest czas t od zerwania: pojedynczej próbki t > 1,5h oraz t > 4 h dla 50% ogólnej liczby próbek poddanych badaniu Rozszerzalność termiczna w zakresie od -20ºC do 100ºC Wytrzymałość w skrajnych temperaturach,

10 ZBYT DUŻA ZAWARTOŚĆ WĘGLA (POWYŻEJ 0,7%) POWODUJE: WZROST KRUCHOŚCI (tj. zmniejszenie wydłużenia przy max. sile) ZMIANĘ WYTRZYMAŁOŚCI ZMĘCZENIOWEJ ISTOTNE ZMNIEJSZENIE ODPORNOŚCI KOROZYJNEJ autor: mgr inż. Mateusz Surma 10

11 6. Średnica stali sprężającej a jej wytrzymałość autor: mgr inż. Mateusz Surma 11

12 7. Siła sprężająca splotu i drutu splot drut lub pręt autor: mgr inż. Mateusz Surma 12

13 8. Badania stali sprężającej wg normy PrEN ISO Określenie wymiarów cięgna, charakterystyki geometrycznej Pomiar właściwości wytrzymałościowych PROSTOLINIOWOŚĆ WYKRESU σ-ε, tj. CHARAKTERYSTYCZNA WARTOŚĆ UMOWNEJ GRANICY SPRĘŻYSTOŚCI f p0,1k Próba zginania i przeginania Analiza chemiczna - TRWAŁOŚĆ W WARUNKACH BADAŃ KOROZYJNYCH W ROZTWORZE NH 4 SCN Pomiar relaksacji w warunkach izotermicznych WYTRZYMAŁOŚĆ ZMĘCZENIOWA OBNIŻENIE WYTRZYMAŁOŚCI PRZY BADANIU SPLOTÓW NA ROZCIĄGANIE W ZŁOŻONYM STANIE NAPRĘŻENIA rozciąganie próbek odgiętych autor: mgr inż. Mateusz Surma 13

14 9. Wyznaczenie zależności s - e s - e s = P/A e = DL/L autor: mgr inż. Mateusz Surma 14

15 s 9. Wyznaczenie zależności s - e f pk f p,0.1k 0.1% e uk e autor: mgr inż. Mateusz Surma 15

16 9. Wyznaczenie zależności s - e 16

17 10. Trwałość w warunkach badań korozyjnych w roztworze NH 4 SCN BADANIE W 20% ROZTWORZE NH 4 SCN I TEMP 50 O C Korona zerwanego przekroju; brak przewężenia (redukcji) przekroju Nagłe zerwanie obciążeniem MIARĄ TRWAŁOŚCI JEST CZAS DO CHWILI ZRWANIA CIĘGIEN NAPRĘŻONYCH DO 0,8R m Wzrost rysy Penetracja NH 4 SCN Defekt powierzchniowy Przyspieszone pękanie Inicjacja zniszczenia Analiza faktograficzna zerwania drutu autor: mgr inż. Mateusz Surma 17

18 11. Wytrzymałość zmęczeniowa DUTY I PRĘTY PODDAJE SIĘ ZMIENNYM NAPRĘŻENIOM PRZY CZĘSTOTLIOŚCI 120cykli/s, ZAŚ SPLOTY 20cykli/s. MIARĄ POPRAWNŚCI WYNIKÓW JEST PRZETRWANIE PRZEZ PRÓBKĘ LICZBY CYKLI 2*10 6 Zmęczenie materiału jest postępującym, zlokalizowanym procesem kumulowania się trwałych zmian mikrostrukturalnych zachodzących w materiale poddanym wielokrotnie powtarzanym lub pulsacyjnym odkształceniom w zakresie naprężenia, którego maksimum jest mniejsze od granicy plastyczności materiału. Zmiany mikrostrukturalne spowodowane zmęczeniem mogą przekształcić się w zarodki pęknięć, które po przekroczeniu wielkości krytycznej wzrastają i mogą prowadzić do makropęknięć i zniszczenia materiału Do powstania i rozrostu mikropęknięć konieczne jest występowanie rozciągającej składowej naprężenia. Większość pęknięć zmęczeniowych powstaje w obszarze koncentratorów naprężeń, np. wad materiałowych. autor: mgr inż. Mateusz Surma 18

19 12. Relaksacja stali OBCIĄŻENIE PRZYKŁADANE JEST STOPNIOWO PRZEZ 10min, A BADANIE ROZPOCZYNA SIĘ PO 2min UTRZYMANIA STAŁEJ WARTOŚCI OBCIĄŻENIA SPADEK NAPRĘZENIA REJSTRUJE SIĘ W KOLEJNYCH KROKACH CZASOYCH: 1, 2, 4, 8, 15, 30, 60 minutach, DALEJ CO 2, 4, 6, 24, 48, 96, 120 godzin I NASTĘPNIE CO TYDZIEŃ KLASA 1 druty i sploty normalne, tj. o wysokiej relaksacji KLASA 2 stabilizowanych termicznie, tj. o niskiej relaksacji KLASA 3 pośrednia co do wielkości - prętów autor: mgr inż. Mateusz Surma 19

20 12. Relaksacja drutów i splotów w zależności od początkowego naprężenia Stal normalna Stale o małej relaksacji autor: mgr inż. Mateusz Surma 20

21 12. Obniżona wytrzymałość w złożonym stanie naprężeń Badanie wykonuje się na szablonie i związane jest z koniecznością określenia zmian właściwości splotów w złożonym stanie naprężenia: przy odgięciu w zakotwieniu (20 o ) w przypadku odgięcia cięgien zewnętrznych na łożysku lub w cięgnach mostów autor: mgr inż. Mateusz Surma 21

22 13. Wartości mechaniczne splotów sprężających wg PrEN autor: mgr inż. Mateusz Surma 22

23 13. Wartości mechaniczne drutów sprężających wg PrEN autor: mgr inż. Mateusz Surma 23

24 13. Wartości mechaniczne prętów sprężających wg PrEN autor: mgr inż. Mateusz Surma 24

25 14. ĆWICZENIE 1 określenie parametrów mechanicznych stali sprężającej - Cel ćwiczenia i program Celem ćwiczenia jest praktyczne zapoznanie się procedurą określania granicy plastyczności stali sprężającej w maszynie (..). autor: mgr inż. Mateusz Surma 25

26 8. Przygotowanie SPRAWOZDANIA 3 1. Skład osobowy zespołu i numer grupy laboratoryjnej. 2. Dziennik pomiarów (wyniki z maszyny wytrzymałościowej) - ksero. 3. Opis przebiegu doświadczenia (historia obciążenia) ze szkicem stanowiska badawczego. 4. Wnioski. autor: mgr inż. Mateusz Surma 26

27 9. Literatura 1. Ajdukiewicz A., Mames J., Konstrukcje sprężone 2. Norma PN-EN :2008. Projektowanie konstrukcji z betonu. 3. Norma pren-10138:2000, Stale sprężające, cz. 1-4 (wymagania ogólne, druty, sploty, pręty) 4. Garbarz B., Stal sprężająca, typy i rodzaje cięgien sprężających, XVII Ogólnopolska Konferencja Warsztaty Prac Projektanta Konstrukcji, Ustroń autor: mgr inż. Mateusz Surma 27