LABORATIONER ÅR 2000 I STÅL- OCH TRÄBYGGNAD

Transkript

1 LABORATIONER ÅR 2000 I STÅL- OCH TRÄBYGGNAD Allmänt Laborationerna genomförs i grupper om ca. 15 teknologer, varav en är samordnare. De övriga får i uppdrag att i mindre grupper utföra delmoment i laborationen. Undergrupperna består vanligen av 2-3 teknologer, och inga försök skall ske parallellt, utan alla har möjlighet att följa alla försök, antingen som medverkande i den egna undergruppens försök, eller som åskådare. En viktig del av laborationen är att tillverka provkroppar. Varje undergrupp utformar en skriftlig rapport om sitt försök. Delrapporten lämnas till samordnaren, som sammanställer dem till en rapport för hela laborationen. Vid årets laborationer fanns det 4 labbgrupper, med gruppbeteckningarna A, B, C respektive D. Laboration 1, materialet stål Laborationen består av 7 moment: a) Egenvikt En stålbit och ett kärl fullt med vatten vägs ( vikt g 1 resp. g 2 }. Sedan förs stålbiten försiktigt ner i kärlet, så att den volym vatten som motsvarar stålbiten trängs bort. Man väger kärlet, nu med stålbiten i, på nytt (g 3 ) Om man känner vattnets densitet ( ρ w = 1 g/cm 3 ), kan densiteten bräknas enligt ρ s = g 1 * ρ w /( g 1 + g 2 - g 3). Följande resultat erhölls: 6,76 5,75 7,60 respektive 8,09 g/cm 3. Medelvärdet blir 7,05 g/cm 3, vilket skall jämföras med det vanligen använda värdet 7,85 g/cm 3. b) Dragprov I institutionens drag/tryckprovningsmaskin, med kapaciteten 250 kn och rörelsemöjligheten ± 75 mm, provades en stålstav med nominella tvärsnittsmått 3x25 mm 2 och totallängden 300 mm. Följande resultat erhölls: Tabell 1 Resultat från dragprov år 2000 Grupp A B C D Medelvärde Godstjocklek t (mm) 3,1 3,15 2,7 3,2 3,0375 Bredd b (mm) 24,3 24,1 24,1 24,9 24,35 Area A (mm 2 ) 75,33 75,915 65,07 79,68 73,99875 Maxlast (N) f y (MPa) ,25 f u (Mpa) ,7009 E (Mpa) Det säkraste resultaten är nog maxlasterna. Mätning av tvärsnittsmått innehåller nog en del fel. Ett exempel på diagram från Dartec-maskinen framgår av figur 1: sid 1

2 a) b) Figur 1 Diagram från grupp A:s dragprov. a) Första delen, då proportionallitet råder och elasticitetsmodulen kan utvärderas. b) Hela förloppet som kraft-deformationssamband. c) Bågsvetsning och d) svetsdraghållfasthet Den i b) sönderdragna stålbiten svetsas nu ihop med bågsvetsning med belagd elektrod. Eftersom bredden är kort (b=25 mm) är det svårt att få hög hållfasthet, ändkratrarna omfattar en stor del av hela svetsen. Efter svetsförsöket provas stålbiten ånyo i Dartec-maskinen. Följande brottlaster erhölls: 12,8 kn 3,5 kn 7,6 kn respektive 17,6 kn i respektive grupp. Bästa resultatet innebar att svetsen klarade 1760/35 = 50% av den ursprungliga provkroppens hållfasthet. e) och f) Hårdhetsprovning med Brinellprov h = r r 2 2 d 4 M=2πrh Brinellhårdhet = P/M Figur 2 Formler för beräkning av Brinellhårdhet I moment e) och f) trycks en stålkula med radien r=5 mm in i en metallprovbit med kraften 10 kn. I moment e) är metallprovbiten stål och i moment f) är metallen antingen aluminium, mässing eller koppar. Intryckets diameter d mäts med en lupp, och sedan beräknas intrycksdjupet h och klotkalottens mantelyta M, se figur 2. Följande resultat erhölls: Grupp A Stål 2094 MPa Aluminium 1027 MPa B 2002 MPa Koppar 868 MPa C 1711 MPa Mässing 1061 MPa D 2004 MPa Aluminium 976 MPa sid 2

3 Slagseghet En liten metallbit med brottanvisning sätts in i en pendelbanas lägsta läge. Pendelns minskade lägesenergi efter slaget mot provkroppen är ett mått på stålets slagseghet. Prover av samma stål har en viss färgmärkning. Följande resultat erhölls: 4,6 Joule/grön 5,3J/grön 14J/? 10 J/gul Laboration 2 Stålprofil Ytterväggsreglar från Lindab Profil AB provades. 2 st RY 150-1,0 (levererad som 150-0,7) och 2 st RY 150-1,5. De fyra reglarna var vardera 2,7 m långa. Företagets tabell med nominella värden framgår nedan av figur 3: Figur 3 Ytterväggsregel från Lindab Laborationen bestod av 4 delmoment. a) Tvärsnittsvärden Profilens tvärsnittsmått mättes enligt figur 4, dvs 5 tjocklekar med mikrometerskruv, samt höjd och bredd med skjutmått (ibland tumstock). Profilen provades sedan (moment b och c) på lågkant, så utgående från de uppmätta värdena beräknades tvärsnittsarea och tröghetsmoment med avseende på veka axeln. Mätvärdenas variation beror nog mest på mätmetoden. Figur 4 Beteckningar för tvärsnittsgeometri sid 3

4 Tabell 2 Profiltvärsnittsvärden Grupp A B C D Profil 150-1, , , ,0 t 1 (mm) 1,47 1,40 1,10 0,94 t 2 (mm) 1,42 1,42 1,04 0,92 t 3 (mm) 1,41 1,42 1,27 0,93 t 4 (mm) 1,45 1,43 1,03 0,92 t 5 (mm) 1,43 1,47 1,3 0,97 t medel (mm) 1,436 1,428 1,148 0,936 b (mm) , b 1 (mm) 13,2 13, b 2 (mm) 13,2 12, ,5 h 1 (mm) 46 44, h 2 (mm) ,5 A (mm 2 ) 368,56 361,84 293,21 234,24 I (mm 4 ) b) Belastning av balk på lågkant med vikter En ca. 2 m lång bit av balken läggs på stöd på golvet. Där elastas den av dels vikter ( kg) och dels en försöksperson. Tanken med försökspersonen är att visa att balken kan användas som våg, om balkens last-förskjutningssamband är känt. Förskjutningarna mäts med en mekanisk klocka med noggrannheten 1/100-mm. Eftersom utrymmet under balken är litet, kan klockan inte placeras på samma ställe som lasten, så för att kunna beräkna förskjutningen där klockan placeras används formeln enligt figur 5, där klockan placeras vid x och lasten vid x P och x P sätts till halva spännvidden l/2. Figur 5 Beräkning av förskjutning för punktbelastad balk. Eftersom förskjutningen är känd, används formeln i figur 5 till beräkning av balkens böjstyvhet EI. Gruppernas böjstyvheter framgår av tabell 3 Tabell 3 Böjstyvheter [knm 2 ] ( Värden i rad 1. är beräknade från en linjär del av lastförskjutningssambandet): A (150-1,5) B (150-1,5) C (150-1,0) D (150-1,0) 1. Vikter 14,5 10,6 4,8 6,3 2. Person 12,2 11,1 4,6 7,3 3. Beräknat 18,3 17,3 12,8 11,4 sid 4

5 Beräknade värden är oreducerade tröghetsmoment från delförsök a) multiplicerade med E = MPa. c) Belastning av balken i provrigg med domkraft. Av figur 6 framgår hur provningsanordningen ser ut. I samtliga grupper var spännvidden l = 1,8 m, och lasten angrep balken i balkmitt, där även mätklockan var placerad. BÖJNING PÅ LÅGKANT 250 MITTPUNKTLAST (kg) A 150-1,5 B 150-1,5 C 150-1,0 D 150-1, MITTNEDBÖJNING (mm) Figur 6 Provningsanordning Figur 7 Böjbelastningskurvor Utvärdering av böjstyvhet och brottlast gav följande resultat: Tabell 4 Böjstyvheter och brottbelastningar Grupp A (150-1,5) B (150-1,5) C (150-1,0) D (150-1,0) EI (knm 2 ) 8,7 9,9 4,3 4,4 Brottlast (kn) 2,5 2,7 1,4 1,2 d) Axiell tryckbelastning av korta provbitar Varje grupp provbelastade två korta provbitar axiellt. Den ena var 200 mm lång och den andra 400 mm. Reducerad tvärsnittsarea beräknades som brottlast/flytgräns. Flytgränsen antogs till 350 MPa. Resultaten framgår av tabell 5: Tabell 5 Axiell brottlast P brott [kn] samt reducerad tvärsnittsarea A red [mm 2 ] för korta provbitar Grupp A (150-1,5) B (150-1,5) C (150-1,0) D (150-1,0) P brott 200 mm bit A red 200 mm bit P brott 400 mm bit A red 400 mm bit En typisk arbetskurva framgår av figur 8. (grupp C, 200 mm lång provbit). Man kan notera att profilen har ett efterkritiskt område, som vid stor deformation verkar bära ca. 1/4-del av maxlasten. sid 5

6 Figur 8. Kraft-förskjutningssamband för en axiellt belastad 200 mm lång provbit av profil Lindab RY 150-1,0 e) Extralabb sträckgräns/brottgräns för provbitar från balkarna För att ta reda på sträck och brottgränserna för materialet i balkarna gjordes några dragprov. För den tjocka plåten blev resultatet ok vid första försöket. För den tunnare plåten gled provkroppen i provningsmaskinen. Institutionens provningsmaskin för dragprov är inte utrustad för att klara tunna provbitar av förzinkat stål. För att öka friktionen läggs lite svetsmaterial på ändarna av provbitarna. För tunn plåt är det då lätt att bränna hål i provbitarna. Efter 2 misslyckade försök med den tunna plåten erhölls till slut ett godtagbart provresultat. Spänningsförskjutningssambanden framgår av figur 9 och 10: Figur 9 Dragprov på provbit 1,43x19,0 mm 2 Figur 10 Dragprov provbit 0,94x19,2 mm 2 sid 6

7 Dragproven gav sträckgränsen f y = 390 MPa och brottgränsen f u = 480 MPa för den tjocka plåten (nominellt 1,5 mm) respektive f y = 350 MPa och f u = 430 MPa för den tunnare plåten (1 mm). Laboration 3. Drag-, böj-, tryck- och skjuvprovning av träprovkroppar Laborationen består av 4 delmoment a) Dragprov Varje grupp utförde två dragprov, med resultat enligt tabell 6 Tabell 6 Draghållfasthet f y [MPa] Grupp A B C D Prov Prov Figur 11 Dragarbetskurva Figur 11 visar last-deformationssambandet för en provstav (grupp B prov 2). I detta fall gick först några fibrer av, varpå lasten kunde ökas tills ytterligare fibrer gick av. Detta förklarar den sågtandade formen på kurvan. b) Böjprov Böjprover utfördes med läkt på högkant med nominellt tvärsnittsmått bxh = 22x45 mm 2. Provbitarna sågades 750 mm långa, och lades på stöd med spännvidden l = 700 mm. De belastades till brott med en mittpunktlast (P) dels med konstant deformationshastighet 2 mm/min (automatisk maskin) och dels med en hydraulisk handpump. Vid handpumpsbelastningen mättes inga deformationer. Från försöken utvärderades böjhållfastheten f mk = P brott *l 2 /(4*W), där W = böjmotståndet (bh 2 /6), samt elasticitetsmodulen enligt E= P*l 3 /( δ*48*i), där gradienten P/ δ utvärderas från den initiella linjära delen av last-förskjutningssambanden, som mättes för det ena provet. Dessa samband framgår av figur 12. sid 7

8 Böjbelastning av träbalkar Mittpunktlast (kn) 3,500 3,000 2,500 2,000 1,500 1,000 0,500 0, Mittnedböjning (mm) A B C D Figur 12 Böjbelstning av träbalkar med tvärmåtten 22x45 mm 2 och spännvidden 700 mm. Tabell 7 Böjhållfasthet f mk och elasticitetsmodul E utvärderade från böjförsök. Grupp A B C D f mk (MPa) automatisk E (MPa) f mk (MPa) handpump c) Tryckprov Varje grupp utförde tre tryckprov. Två stycken utfördes parallellt med fiberriktningen, det ena på en 50 mm (kort) provbit och det andra på en 150 mm (lång) provbit. Det tredje prover utfördes vinkelrätt mot fiberriktningen på en 45 mm hög provbit. Samtliga provbitat togs ur regel med dimensionen 45x45 mm 2.Två arbetskurvor framgår av figur 13 (grupp A kort bit) och 14 (grupp C). Beräknade tryckhållfastheter framgår av tabell 8. Figur 13 tryck parallellt fibrer Figur 14 Tryck vinkelrätt fibrer sid 8

9 Tabell 8 Utvärderade tryckhållfastheter Grupp A B C D f ck (MPa) kort f ck (MPa) lång f c90k (MPa) 4,3 5,9 4,8 4,5 d) Skjuvförsök Skjuvförsöken utförs på en 100 mm lång provbit av dimensionen 22x146 mm 2. Denna läggs med fibrerna vertikalt på spännvidden 60 mm och belastas med en punktlast på mitten. Det innebär att tvärkraften är halva punktlasten, och motsvarande medelskjuvspänning är P/(2*A), där A = 100x22. Vid försöken mäts de verkliga måtten, och skjuvhållfastheten f vk beräknas enligt ovan med P = brottkraften. Provningsförfarandet innebär att brottet initieras av en liten böjpåkänning, så man får för låga värden på skjuvhållfastheten. Följande värden erhölls: Tabell 9 Uppmätta skjuvhållfastheter Grupp A B C D f vk (MPa) 1,65 3,33 2,66 2,05 Laboration 4 Provning av träförband I laboration 4 provas två förbandstyper enligt a) böjprov med sammansatt balk och b) tryckprov av överlappsskarv. Varje grupp provade två förband av vardera typen. a) Böjprov med sammansatt balk Två 500 mm långa bitar av dimension 22x45 mm 2 läggs på lågkant på varandra och belastas av en punktlast i mitten. Spännvidden är l = 480 mm. Bitarna sammanfogas på olika sätt och försöksanordningen framgår av figur 15: Figur 15 Böjförsök med sammansatt balk sid 9

10 Följande provkroppar testades: Grupp A Utan fästdon I Bitarna ligger löst på varandra II Bitarna ät ihoplimmade Grupp B 10 trådspik 40x17 från ena sidan med c=50 mm I Endast spik II Spik och lim Grupp C 10 gipsskruv 41 mm från ena sidan, försänkta skruvhuvuden, c=50 mm I Endast skruv II Skruv och lim Grupp D 10 trådspik 40x17 omväxlande från båda håll. I Endast spik II Spik och lim Figur 16 visar arbetskurvorna för de 8 försöken Sammansatt balk 7 Mittpunktlast (kn) AI AII BI BII CI CII DI DII Mittnedböjning (mm) Figur 16 Arbetskurvor för sammansatta balkar Trögetsmomenten beräknades med uppmätta mått för tvärsnitten dels utan samverkan och dels med fullständig samverkan. Ur försöken utvärderades tröghtsmomentet med formeln I= P*l 3 /( δ*48*e), där gradienten P/ δ utvärderas från en initiell linjär del av lastförskjutningssambandet och elasticitetsmodulen E sattes till medelvärdet för resultaten från laboration 3, där samma leverans läkt hade provats (E = 8700 MPa). Dessa tröghetsmoment och brottväden för mittpunktlasten framgår av tabell 10: sid 10

11 Tabell 10 Resultat från försök a) I 0 = Tröghtsmoment utan samverkan (mm 4 ) I eff = Tröghtsmoment utvärderade från försök(mm 4 ) I s = Tröghtsmoment total samverkan (mm 4 ), P brott = Brottlast (kn) Grupp AI AII BI BII CI CII DI DII I I eff I s P brott 4,45 6,11 5,20 6,34 4,45 5,34 3,61 4,97 b) Tryckprov med överlappsskarv I figur 17 visas principen för provkroppen, som består av 3 st 120 mm långa brädor av dimensionen 22x145 mm 2. Brädbitarna sammanfogas sedan med olika antal av fästdon, som kan appliceras antingen enkel- eller dubbelsidigt. Dubbelsidiga förband kan vara antingen eneller tvåskäriga. Fästdonen består av olika typer av spik eller skruv. Figur 17 Provkropp för mätning av fästdonshållfasthet. Problemet med denna typ av provkropp är att den lätt spricker vid tillverkningen. För att minska risken förborras ofta innan spiken spikas eller skruven skruvas. De mönster av fästdon som användes framgår av figur 18. sid 11

12 Figur 18. förband med 8 respektive 6 fästdon. markerar ena sidan och andra sidan. Följande försök utfördes: Grupp A prov III 8 skruv 5x60 förborrade med 5, försänkning av skruvhuvuden. prov IV 8 trådspik 75x28 förborrade med 2,5-spikarn lämnas obockade på andra sidan. Grupp B prov III 8 trådspik 60x23 varmförzinkade prov IV 8 trådspik 60x23 obehandlade Grupp C prov III 6 trådspik 75x28 förborrade med 2,5 - spikarna bockas på andra sidan. prov IV 6 skruv 5x60 förborrade med 5, försänkning av skruvhuvuden. Grupp D prov III 6 trådspik 60x23 varmförzinkade. prov IV 6 trådspik 60x23 obehandlade Figur 19 Försök CIV. Skruvarna gick successivt av, vilket visar sig som hack i kurvan. sid 12

13 Figur 19 visar ett exempel på resultat från ett av försöken. I tabell 11 finns samtliga resultat, visade som maxlast per skär. Motsvarande karakteristiskt värde beräknat enligt BKR finns med som jämförelse: Tabell 11 Fästdonskraft per skär Grupp AIII AIV BIII BIV CIII CIV DIII DIV R max (N) R vk (N) Observera speciellt försök AIV och CIII. Vid båda försöken användes varmförzinkad trådspik 75x28, dvs med tvärmåttet 2,8 mm och karakteristisk hållfasthet per skär enligt BKR = 150*2,8 1,7 = 863 N (avrundat i tabellen till 860 N). Vid försök AIV lämnades spikarna obockade när de stack ut på andra sidan (den utstickande längden är nominellt 75-3*22=9 mm). Vid försöket uppmättes maxlasten 1,626 kn per skär. Vid försök CIII bockades spikarna på andra sidan, och uppmätt maxlast per skär blev 1,917 kn, vilket är 20% mer. sid 13