Stålbyggnadshistorik

Transkript

1 Stålbyggnadshistorik

2 Materialhistorik I äldre tider frigjordes järnet (Fe) ur malmen genom reduktion med träkol, varvid genom smidning, slaggen avlägsnades ( smidesjärn ) Under senare medeltiden (1400) lyckades man genom intensifierad lufttillförsel öka temperaturen i smältugnen. Detta medförde en ökad kolhalt i järnet och en lägre smältpunkt ( gjutjärn ). Det frigjorda järnet var då icke smidbart (kolhalten måste vara <1,7% för att kunna vara smidbart)

3 Materialhistorik Användning av Koks (engelska: coke) på 1700 talet. Koks är en fast produkt som framförallt används som bränsle (istället för träkol). Det framställs genom syrefattig upphettning, pyrolys, av organiska bränslen som kol, petroleum, biomassa eller avfall. Under 1700-talet var gjutgärnet det dominerande materialet

4 Materialhistorik Smidesjärn, tack vare utveckling av Bessemermetoden eller bessemerprocessen (av den engelske ingenjör Henry Bessemer, 1855). Metoden går ut på att färska flytande råjärn till smidbart stål. Genom att blåsa luft genom smältan oxideras det kol som järnet innehåller. Schematisk bild av en Bessemerkonverter

5 Materialhistorik Stål, tack vare utvecklingen a Martinprocessen, även kallad Martinmetoden eller Siemens-Martinmetoden (1875). I Martinprocessen färskas tackjärnet (eller råjärnet dvs järn med en kolhalt på över 4%) i en regenerativ flamugn, i vilken temperaturen kan hållas så hög att det erhållna kolfattiga järnet blir flytande. Genom martinmetoden kan stål även framställas ur en blandning av tackjärn och skrot A: gas + luft, in B: förvärmd kammare C: smält täckjärn D: eldstad E: värmekammare (kallt) F: gas + luft, ut

6 Materialhistorik Det mederna stålet, tack vare utvecklingen av Ljusbågsugnar (början av 1900-talet). Ljusbågsugnar används framför allt till framställning av legerat stål, s k kvalitetsstål såsom rostfria och värmebeständiga stål

7 Tre viktiga perioder för utvecklingen av metallkonstruktioner Cast Iron (gjutjärn) Period (Columns up to 1900) Wrought Iron (smidesjärn) Period Steel Period Present Day

8 Hållfasthetsegenskaper av några metalliska produkter Gjutjärn Smidesjärn Stål

9 Gjutjärnperioden ( ) Gjutjärn är inte lämplig för att ta stora dragkrafter. Konstruktioner av gjutjärn påminner om massiva murverkskonstruktioner (välvda konstruktioner, som huvudsakligen arbetar i tryck)

10 Ironbridge, England byggår: 1779 spännvidd: 33 m

11 Smidesjärnperioden ( ) Tillkomsten av smidesjärnet gjorde det möjligt att använda konstruktionsformer som också kunde ta upp relativt stora dragspänningar. Parallellt med denna utveckling inom konstruktionstekniken noteras banbrytande insatser för lösande av hållfasthetsteoretiska och statiska problem (Naviers böjningsteori, hängbroteknik, Gerbers konstruktionsprincip för kontinuerliga balkar, etc.)

12 Britannia bridge, England Byggår: 1826 Totallängd: 461 m

13 Clifton bridge, England, av Isambard Kingdom Brunell Byggår: Totallängd: 412 m (mittspann: 214m)

14 Royal Albert Bridge (järnvägsbro) Byggår: Totallängd: 2x139 m

15 Eiffeltornet uppfördes mellan 1887 och 1889 konstruktionshöjd: 300m

16 Stålperioden (1880- idag) Stål är starkare än smidesjärn. Dessutom tack vare valsningstekniken - kan man med stål producera längre element än vad som är möjligt med smidesjärn.

17 Firth of forth bridge, Skottland (järnvägsbro) Byggår: Totallängd: 2500 m

18 Golden gate bridge, S. Francisco Byggår: Totallängd: 2700m (mittspann: 1280m)

19 Galerie des Machines, Paris Byggår: 1889 Spännvidd 111 m

20 Lousiana Superdome Byggår: Diameter 210 m

21 Akashi-Kaikyō Bridge also known as the Pearl Bridge Byggår: Totallängd: 3911 m (mittspann: 1991 m)

22 Messinabro?

23 Ståltyper för konstruktionsändamål Kolstål (=olegerat stål) karakteriseras av att kolhalten är mindre än 1,7% (vilket är också gränsen mellan stål och järn och även smidbarhetsgräns)

24 Ståltyper för konstruktioonsändamål Kolstål (=olegerat stål) karakteriseras av att kolhalten är mindre än 1,7% (vilket är också gränsen mellan stål och järn och även smidbarhetsgräns) Vid konstruktionsstål med normala svetsbarhetskrav är emellertid kolhalten avsevärt lägre och högst 0,20-0,25% (viktsprocent)

25 Ståltyper för konstruktioonsändamål Kolstål (=olegerat stål) karakteriseras av att kolhalten är mindre än 1,7% (vilket är också gränsen mellan stål och järn och även smidbarhetsgräns) Vid konstruktionsstål med normala svetsbarhetskrav är emellertid kolhalten avsevärt lägre och högst 0,20-0,25% (viktsprocent) Enbart kol som legeringselement begränsar draghållfastheten till ca 400 MPa och stäckgränsen till ca 240 MPa

26 Ståltyper för konstruktioonsändamål Kolstål (=olegerat stål) karakteriseras av att kolhalten är mindre än 1,7% (vilket är också gränsen mellan stål och järn och även smidbarhetsgräns) Vid konstruktionsstål med normala svetsbarhetskrav är emellertid kolhalten avsevärt lägre och högst 0,20-0,25% (viktsprocent) Enbart kol som legeringselement begränsar draghållfastheten till ca 400 MPa och stäckgränsen till ca 240 MPa Med tilltagande kolhalt ökar hållfastheten och hårdhet på bekostnad av töjbarheten. Ökad kolhalt upp till ca 1% tillåts i vissa specialstål (t.ex. verktygsstål)

27 Draghållfasthets och brott-töjnings beroende av kolhalten 0,2-0,25%

28 Legerat stål Låglegerat stål (legeringsämnen <5%) Höglegerat stål (legeringsämnen >5%) Vanliga legeringsämne är: - Mangan (Mn) - Kisel (Si) - Krom (Cr) - Molybden (Mo) - Nickel (Ni)

29 Legerat stål Låglegerat stål (legeringsämnen <5%) Höglegerat stål (legeringsämnen >5%) Vanliga legeringsämne är: - Mangan (Mn) - Kisel (Si) - Krom (Cr) - Molybden (Mo) - Nickel (Ni) Ökar hållfastheten och segheten. De fungerar också som deoxidationsmedel

30 Legerat stål Låglegerat stål (legeringsämnen <5%) Höglegerat stål (legeringsämnen >5%) Vanliga legeringsämne är: - Mangan (Mn) - Kisel (Si) - Krom (Cr) - Molybden (Mo) - Nickel (Ni) Ökar hållfastheten och segheten. De fungerar också som deoxidationsmedel Ökar värmhållfastheten

31 Legerat stål Låglegerat stål (legeringsämnen <5%) Höglegerat stål (legeringsämnen >5%) Vanliga legeringsämne är: - Mangan (Mn) - Kisel (Si) - Krom (Cr) - Molybden (Mo) - Nickel (Ni) Ökar hållfastheten och segheten. De fungerar också som deoxidationsmedel Ökar värmhållfastheten Ökar segheten.

32 Mekanisk hållfasthetspåverkan En hållfasthetsökning kan erhållas genom kallbearbetning av materialet genom exempelvis: - Dragning (tråd) - Formning (kallformade profiler) - Valsning (kallvalsad plåt)

33 Arbetskurvor för jungfruligt och förtöjt material ε brott = 30-40% ε max = 20-25%

34 Effekten av kallbearbetningen - Förtöjning över sträckgränstöjningsmåttet ger högre sträckgräns för det förtöjta materialet - Kallarbetat material karakteriseras av frånvaron av egentlig sträckgräns. Normalt definieras sträckgräns som den spänning som motsvarar 0,2% töjning - Sträckgränshöjning sker på bekostnad av töjbarheten

35 Stålprodukter Varmvalsade produkter Kallformade produkter

36 Olika faser för varmvalsning Material slab Det heta stålämnet, hetan passerar särskilda valsspår Slutprodukter: balkar, stång och plåt

37 I-balkar

38 I-balkar Böjda element (balkar) Skevböjning och tryckta element (pelare)

39 U-profiler

40 Stålstång Rundtång Vinkelstång Plattstång

41 Plåtprodukter Varmvalsad plåt finns i tjocklekarna 0,5 150 mm - Grovplåt: t 5 mm - Mediumplåt 3 mm t < 5 mm - Tunnplåt: t < 3 mm

42 Plåtprodukter Varmvalsad plåt finns i tjocklekarna 0,5 150 mm - Grovplåt: t 5 mm Svetsade balkar - Mediumplåt 3 mm t < 5 mm - Tunnplåt: t < 3 mm Utgångsmaterial för tillverkning av tunnplåtprofiler

43 Konstruktionsrör VKR: varmbearbetat rör KKR: Kallformat rör

44 Tunnplåt och kallformade produkter Tillverkningen av kallformade stålprodukter är baserad på kallvalsad tunnplåt. Vanlig godstjocklek: 0,4 3 mm Tillverkning: - Kantbockning i kantpress (t.ex. Z-profiler) eller - Kontinuerlig rullforming (tak- eller väggplåt)

45 Fribockning

46 Kontinuerlig rullforming (eller rullbockning)

47 Exempel 1: oisolerad hall

48 Exempel 2: isolerad hall

49 Exempel 3: bärande plåt

50 Trapetsprofilerad plåt

51 Toleranser så här kan det se ut i verkligheten

52 Försök välja detaljlösningar som inte är så känsliga för imperfektioner Lite känslig Mycket känslig Mycket känslig Lite känslig

53 Egenspänningar Vid framställning av plåt, stång eller balk, samt vid svetsarbeten erhålls vid avsvalningen egenspänningar p g a ojämn temperatur inom olika delar av arbetstycket

54 Principen Strax efter valsning Hela balken är avsvalnad I detta område sker avsvalningen långsammare (tjockare gods) De yttre delarna avsvalnar först Chaud: varmt Froid: Kallt

55 Egenspänningar i en valsad balk

56 Exempel: valsad balk och svetsad balk HEA300 Spänningar i MPa - tryck + drag Welded I-beam

57 Egenspänningar Påverkar inte bärförmåga hos en konstruktionselement (gäller dock inte för knäckning eller buckling), under förutsättningen att brottöjningen inte uppnås Spänning- töjningskurvan påverkas bara lokalt

58 Egenspänningar σ Utan inverkan av egenspänning Med antagen egenspänningsfördelning σ σ f y 0.5 f y D + + 0,25 f y C + 0,25 f y + 0,50 f y + B f y f y σ 2 1 σ ε ε _ + _ f y 1-0,75 f y + 0,50 f y A _ 1 + _ ε ε σ

59 Inverkan av egenspänning och töjningshärdning Teoretisk flytpunkt Utan inverkan av egenspänning 1 σ = f y σ > f y M M y Tidig flytning Inverkan av egenspänning Teoretiskt förenklat beteende Typiskt beteende från provning ϕ ϕ y

60 Konstruktionsstålets egenskaper α =

61 Förenklad materialkurva Figur S2.26 Framtagning av förenklad arbetskurva för kolstål.

62 Vanliga stålsorter

63 Stålkvalitéer Slagseghetsprovning (Charpy-V) Transition temperature

64 Vad betyder kombinationen av siffror och bokstäver?

65 Inverkan av temperatur

66 Inverkan av godstjocklek Vid framställning av stål kan blåsor bildas i götet, p g a gas avgivning. Dessa blåsor välls ihop fullständigt vid valsningen. Dessa inneslutningar (s.k. segringar) ge upphov till s.k. lamellering. Plåten blir skiktat och vid ogynnsamma fall helt utan draghållfasthet i tjockleks riktningen

67 Inverkan av godstjocklek

68 Val av max godstjocklek

69 Val av max godstjocklek Exempel Stålkvalité: S355JR Temperatur: T=-10 o C Max spänning σ < 0,5 f y

70 Val av max godstjocklek S355JR, T=-10 o C, σ < 0,5 f y

71 Val av max godstjocklek S355JR, T=-10 o C, σ 0,5 f y

72 Val av max godstjocklek S355JR, T=-10 o C, σ 0,5 f y t max = 45 mm