Nya regler för dimensionering av rostfritt stål Ove Lagerqvist ove@prodevelopment.se tel 070-6655013
Introduktion Varför särskilda dimensioneringsregler för rostfritt stål? Kolstål: Linjärt elastiskt upp till en tydligt definierad sträckgräns, följt av en plastisk platå och därefter deformationshårdnande Rostfritt stål: Avrundad respons utan någon väldefinierad sträckgräns, men deformationshårdnande Påverkar - lokal buckling - global buckling (knäckning, vippning, etc) - styvhet - deformationer
Introduktion Varför särskilda dimensioneringsregler för rostfritt stål? 1 = Elasticitetsmodulen Austenitiska/duplexa stål: E = 200 GPa Ferritiska stål: 220 GPa Kommande EN 1993-1-4: E = 200 GPa även för ferritiska stål? 2 = 0,2-gränsen (motsvarande f y ) Proportionalitetsgränsen (definierar E-modulen) varierar från 40 % till 70 % av 0,2-gränsen
Introduktion Dimensioneringsregler för rostfritt stål ges i EN 1993-1-4 Täcker in svetsade, varmformade & kallformade komponenter Täcker in austenitiska, duplexa och ferritiska stålsorter Ger tilläggsregler för rostfritt stål för de fall reglerna för kolstål inte är direkt tillämpbara Täcker in byggnader, broar etc EN 1993-1-4 genomgår just nu en renovering Under senare år har stora resurser lagts på kunskapsuppbyggnad om bärande konstruktioner i rostfritt stål och utveckling av dimensioneringshjälpmedel
Introduktion DEL I - REKOMMENDATIONER 1) Introduktion 2) Egenskaper för rostfritt stål 3) Beständighet och val av material 4) Grunder för dimensionering 5) Egenskaper hos tvärsnitt 6) Dimensionering av konstruktionselement 7) Utformning och dimensionering av förband 8) Brandteknisk dimensionering 9) Utmattning 10) Provning 11) Tillverkningsaspekter Bilagor A Jämförelse mellan beteckningar för rostfritt stål B Hållfasthetsökning i kallformade profiler C Modellering av materialbeteende D Dimensionering med beaktande av töjhärdning E Elastiska kritiska moment för vippning DEL II - DIMENSIONERINGSEXEMPEL
Rostfritt stål (EN 1993-1-4) dimensioneras i stort sett enligt samma principer som kolstål Partialkoefficienter enligt EKS 10 (EN 1993-1-4) γ M0 = 1,0 (1,10) γ M1 = 1,0 (1,10) γ M2 = 1,2 (1,25) Samma regler som för kolstål för - dragkraft - böjning av stagade balkar Vissa skillnader jämfört med kolstål för klassificering av tvärsnitt, lokal buckling och global buckling p g a - icke-linjärt spännings-töjningssamband - deformationshårdnande - inverkan av egenspänningar
Klassificering av tvärsnitt: samma som för kolstål, förutom gränserna för klass 2 och 3 för inre tryckta delar Klass Böjda delar Tryckta delar 2 3 c/t < 76ε c/t < 83ε rostfritt stål kolstål c/t < 35ε c/t < 38ε rostfritt stål kolstål c/t < 90ε rostfritt stål c/t < 37ε rostfritt stål c/t < 124ε kolstål c/t < 42ε kolstål Kolstål: Rostfritt stål:
Effektiva bredder samma principer som för kolstål
Effektiva bredder Annat uttryck än för kolstål för inre tryckta delar
Tvärsnitt påverkade av dragkraft (nästa generation av EN 1993-1-1/-4)
Böjknäckning Last Flytning N Ed Af y L cr Typisk knäckkurva för verkliga pelare, χaf y Elastisk knäckning N cr N Ed Slankhet λ
Böjknäckning, N B,Rd = χaf y /γ M1 (χa eff f y /γ M1 ) Imperfektionsfaktor Flytplatåns längd
Böjknäckning, värden på α och λ o (några ändringar jmfrt med nuv. EN 1993-1-4 Type of member Cold formed angles and channels Cold formed lipped channels Axis of buckling Austenitic & duplex Ferritic α λ o α λ o Any 0,76 0,2 0,76 0,2 Any 0,49 0,2 0,49 0,2 Cold formed RHS Cold formed CHS/ EHS Hot finished RHS Hot finished CHS/EHS Welded or hot rolled open sections Any 0,49 0,3 0,49 0,2 Any 0,49 0,2 0,49 0,2 Any 0,49 0,2 0,34 0,2 Any 0,49 0,2 0,34 0,2 Major 0,49 0,2 0,49 0,2 Minor 0,76 0,2 0,76 0,2
Böjknäckning, knäckkurvor
Vippning, N B,Rd = χ LT W y f y /γ M1 Imperfektionsfaktor Flytplatåns längd
Vippning, reduktionskurvor
Deformationer & nedböjningar Det icke-linjära spännings-töjningssambandet för rostfritt stål gör att styvheten minskar med ökande spänning, vilket gör att konstruktioner i rostfritt stål normalt uppvisar något större deformationer än motsvarande konstruktioner i kolstål Istället för en ideal elastisk-plastisk materialmodell används Ramberg-Osgoods materialmodell I denna materialmodell är den viktigaste parametern den s k Ramberg-Osgood-parametern n, som används för att definiera graden av icke-linjearitet för spännings-töjningskurvan Deformationer/nedböjningar beräknas med sekantmodulen för aktuell spänning i bruksgränstillstånd
Deformationer & nedböjningar Stress σ E t σ at SLS E S Steel grade Coefficient Ferritic 14 Austenitic 7 Duplex 8
Interaktion N + M Alla balkar/komponenter ska uppfylla: NN Ed (NN b,rd ) min + kk y MM y,ed + NN Ed ee Ny ββ W,y WW pl,y ff y /γγ M1 + kk zz MM z,ed + NN Ed ee Nz ββ W,z WW pl,z ff y /γγ M1 1 Om vippning är aktuellt gäller även: NN Ed + kk (NN b,rd ) LT MM y,ed + NN Ed ee Ny + kk min 1 MM zz MM z,ed + NN Ed ee Nz 1 b,rd ββ W,z WW pl,z ff y /γγ M1
Interaktion N+ M För öppna tvärsnitt kan interaktionsfaktorerna k y, k z och k LT beräknas som:
Interaktion N+ M För runda (CHS) och rektangulära (RHS) rör kan interaktionsfaktorerna k y, k z och k LT beräknas som:
Skruv- och svetsförband Suspension anchor W. Modersohn GmbH & Co. KG, Spenge Dimensioneras i stort sett som kolstål Partialkoefficient enligt EKS 10 (EN 1993-1-4) γ M2 = 1,2 (1,25) En hel del bra tips och råd om utförande av skruv- och svetsförband Carport Edgar - Funktionelle Form GmbH, Wermelskirchen
Skruv- och svetsförband Material för skruvförband Skruvar och muttrar i rostfritt stål: EN ISO 3506-1/-2/-3 Brickor i rostfritt stål: EN ISO 7089 och EN ISO 7090 I EN ISO 3506 klassificeras skruv- och muttermaterial med en bokstav A för austenitiska, F för ferristiska, C för martensitiska, D för duplexa. För konstruktionsändamål rekommenderas A eller D. Siffran efter bokstaven anger korrosionsmotståndet. Bör vara minst lika bra som det material som sammanfogas.
Skruv- och svetsförband Material för skruvförband Dimensioneringsreglerna i handboken täcker in skruvar i egenskapsklasserna 50/70/80. För skruvar i klass 100 ska bärförmågan verifieras genom provning.
Bilaga B Bilaga B ger vägledning för tillgodoräknande av hållfasthetsökning pga kallformning Exempel på resultat från provningar på plant material respektive hörnmaterial från samma profil hörnmaterialet har högre hållfasthet, men lägre seghet Stress (N/mm 2 ) 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 Increase in the 0.2% proof stress Flat material Corner material 0 0.5 1 1.5 2 Strain (%) Early stage of σ-ε curve Stress (N/mm 2 ) 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 Increase in the ultimate tensile stress Reduction in ductility Flat material Corner material 0 20 40 60 Strain (%) Full σ-ε curve
Bilaga B Ur Bilaga B Hållfasthetsökning i kallformade profiler
Bilaga B Exempel på hållfasthetsökningar för rör f ya /f y RHS Austenitic Duplex 100 x 100 x 3 mm 1.33 1.07 100 x 100 x 6 mm 1.48 1.15 300 x 300 x 5 mm 1.22 1.02 300 x 300 x 8 mm 1.32 1.07 CHS 103 φ 2.5 mm 1.11 1 103 φ 5 mm 1.23 1.02 304 φ 2.5 mm 1 1 304 x 6 mm 1.08 1
Bilaga D Bilaga D Dimensionering med beaktande av töjhärdning The Continious Strength Method, CSM, är en alternativ metod som baseras på deformationer och som utnyttjar fördelarna av töjhärdning Kan kombineras med f ya enl. bil. B och är särskilt fördelaktig för knubbiga tvärsnitt Ännu ej accepterad för implementering i kommande version av EN 1993-1-4 σ Strain hardening, not captured by current design standards Carbon steel has a sharply defined yield point with a plastic yield plateau (followed later by strain hardening) Elastic, perfectly plastic model in current design standards ε Stainless steel exhibits gradually yielding behaviour, with high strain hardening
Sista bilden May the force be with you!