Zastosowania konstrukcyjne wyrobów płaskich ze stali ... · Plan prezentacji Konstrukcyjne stale nierdzewne Przykłady zastosowań konstrukcyjnych Charakterystyka własności mechanicznych

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

Rozdzia 07BZastosowania konstrukcyjne

wyrobw paskich ze stali nierdzewnych

1

Prezentacja dla wykadowcwarchitektury i budownictwa

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

Barbara Rossi, Maarten FortanCivil engineering department, KU

Leuven, Belgia

Na bazie prezentacji przygotowanej przez Nancy BaddooSteel Construction Institute, Ascot, UK

2

Konstrukcyjne stale nierdzewneProjektowanie ze stali nierdzewnych

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

Plan prezentacji

Przykady zastosowa konstrukcyjnych Charakterystyka wasnoci mechanicznych Projektowanie zgodne z Eurokodem 3 Metody alternatywne Ugicia Informacje dodatkowe rda danych dla inynierw

3

PresenterPresentation NotesWykad dotyczy aplikacji stali nierdzewnych w zastosowaniach konstrukcyjnych i budowlanych. Prezentacja przedstawia szczegowe zalecenia dla procesu projektowania. Jest to drugi z dwch wykadw, gdzie cz pierwsza podaje oglny zarys, co to jest stal nierdzewna i jakie kwestie naley bra pod uwag podczas jej stosowania. W prezentacji porwnuje si stal nierdzewn do konstrukcyjnej stali wglowej.

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

Cz 1

Przykady zastosowa konstrukcyjnych

4

PresenterPresentation NotesCEL: przedstawienie przegldu moliwych zastosowa

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

Stacja w Sint Pieters, Gendawa (BE)Architekt: Wefirna Biuro projektw: THV Van Laere-Braekel Aero

5

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

neSzkoa wojskowa w Brukseli

Architekci: AR.TEBiuro projektw: Tractebel Development

6

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

Wielki uk Braterstwa, ParyArchitekt: Johan Otto von SpreckelsenBiuro projektw: Paul Andreu

7

PresenterPresentation NotesArchitekt Johan Otto von Spreckelsen (*)ADP / P. Andreu / F. Deslaugiers110 m hoch, 35 GeschosseNord-/Sdflgen 19 m dick

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

Willa ze stali nierdzewnej (FIN)

8

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

La Lentille de Saint-Lazare, Pary, (F)Architekci: Arte Charpentiers & AssocisBiuro projektw:Mitsu Edwards

9

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

Stacja w Porto (P)

10

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

Siedziba Torno Internazionale S.P.A. Mediolan, (IT), EN 1.4404 Architekci : Dante O. BENINI & Partners Architects

11Zdjcie: Toni Nicolino / Nicola Giacomin

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

12

Konstrukcja ze stali nierdzewnej w elektrowni atomowej

Zdjcie: Stainless Structurals LLC

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

13

Elementy podporowe ze stali nierdzewnej w elewacji budynku , Tampa, (USA)

Zdjcie: TriPyramid Structures, Inc.

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

14

Belki ze stali nierdzewnej (dwuteowniki),Zakady oczyszczania wody z Tamizy, (UK)

Zdjcie: Interserve

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

Cz 2

Charakterystyka wasnoci mechanicznych

15

PresenterPresentation NotesCEL: przedstawi rnice we wasnociach mechanicznych midzy stal nierdzewn a wglow

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

Charakterystyka naprenie-odksztacenie:Stal czarna w porwnaniu do nierdzewnej

16

Kluczowa rnica midzy stal wglow a nierdzewn zawiera si w charakterystyce krzywej naprenie-odksztacenie.

Odksztacenie plastyczne pojawia si stopniowo, wystpuje wysoki stopie umocnienia zgniotem.

Wyranie okrelona granica plastycznoci, wystpuje plastyczne pynicie stali - pka plastyczna

Niesprysta reakcja materiau

Umocnienie zgniotowe

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

17

Kada grupa stali charakteryzuje si innym wykresem rozcigania.

Charakterystyka naprenie-odksztacenie zakres maego odksztacenia

Stal nierdzewna typu duplex

Stal wglowa S355

Austenityczna stal nierdzewna

Odksztacenie (%)

PresenterPresentation NotesKluczowa rnica midzy stal wglow a nierdzewn zawiera si w charakterystyce krzywej naprenie-odksztacenie. Stal wglowa w obszarze sprystym wykazuje liniow charakterystyk a do momentu ostrego przejcia w granic plastycznoci, powyej ktrej odksztacenie moe wzrasta bez przyrostu naprenia, chocia moe wystpi niewielki stopie umocnienia zgniotem materiau.

Stale nierdzewne nie wykazuj takiego efektu. W tym przypadku granica plastycznoci pojawia si bardziej stopniowo przy wikszym udziale umocnienia zgniotem materiau.

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

18

fy = naprenie przy wydueniu trwaym rwnym 0,2% (Rp0,2)

18

Nap

re

nie

Odksztacenie, %

Naprenie przy wydueniu trwaym 0,2%

Co to jest granica plastycznoci?

PresenterPresentation NotesW przypadku stali wglowych przyjmuje si granic plastycznoci jako wytrzymao obliczeniow. Trudno w projektowaniu dla materiaw o nieliniowej charakterystyce krzywej naprenie-odksztacenie jest zwizana z wyborem wartoci wytrzymaoci obliczeniowej.

Klasyczny sposb okrelenia wytrzymaoci obliczeniowej dla materiaw takich jak stal nierdzewna, aluminium i stale o wysokiej wytrzymaoci, ktre nie wykazuj wyranej granicy plastycznoci jest zastosowanie umownej granicy plastycznoci przy wydueniu trwaym 0,2% (Rp0,2).

Wykres przedstawia sposb wyznaczania umownej granicy plastycznoci przy wydueniu trwaym 0,2% (Rp0,2).

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

Wytrzymao obliczeniowa stali nierdzewnych

Minimalna warto umownej granicy plastycznoci przy wydueniu trwaym 0,2% podawana w normach EN 10088-4 i 5

Staleaustenityczne: fy = 220-350 MPaduplex: fy = 400-480 MPa

Modu Younga, E=200 000 MPado 220 000MPa

Naprenie

Odksztacenie

PresenterPresentation NotesAustenityczne stale nierdzewne wykazuj umown granic plastycznoci przy wydueniu trwaym 0,2% na poziomie ok. 220 MPa, podczas gdy stale duplex dwa razy wysz ok. 450 MPa.

Wysoka wytrzymao stali duplex pozwala na zastosowanie lejszych elementw ni w przypadku stali wglowych.

Naley pamita, e zmierzona warto umownej granicy plastycznoci austenitycznych stali nierdzewnych moe przekroczy podan minimaln warto o 25 - 40%, dla blach gruboci 25 mm lub mniejszej. W przypadku stali duplex rnica ta jest nisza, zwykle do 20%. Istnieje odwrotna zaleno midzy gruboci lub rednic i umown granic plastycznoci. Materia cieszy typowo wykazuje umown granic plastycznoci zdecydowanie wysz od wartoci minimalnej, podczas gdy dla gruboci 25 mm i wicej jest ona bardzo zbliona do wartoci minimalnej.

Modu Younga wynosi 200,000 MPa rni si nieznacznie od wartoci przyjmowanej dla stali wglowych, gdzie wynosi ok. 210,000 MPa.

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

Gatunek

Umowna granica

plastycznoci(N/mm2)Rp0.2%

Wytrzymao na rozciganie Rm

(N/mm2)

Modu Younga(N/mm2)

Wyduenie do zerwania

(%)

1.4301 (304) 210 520 200000 45

1.4401 (316) 220 520 200000 40

Wytrzymao obliczeniowa stali nierdzewnych

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

Zwikszona wytrzymao przez odksztacenie plastyczne Spowodowane obrbk plastyczn na zimno,

zarwno podczas operacji ksztatowania stali w trakcie produkcji (w hucie) lub kolejnych etapw przetwarzania

21

Podczas wytwarzania ksztatownikw zamknitycho przekroju prostoktnym, w naronikachksztatowanego na zimno profilu, umowna granicaplastycznoci Rp0,2 wzrasta o ok. 50%

Umocnienie zgniotem(umocnienie w wyniku obrbki plastycznej na zimno )

PresenterPresentation NotesStale nierdzewne wykazuj silne umocnienie zgniotem, ktre moe stanowi zarwno zalet jak i wad w zalenoci od sytuacji.

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

Zwikszenie wytrzymaoci podczas ksztatowania

weld

0.2,meas0.2,mill0.2,min

Umocnienie zgniotem(umocnienie w wyniku obrbki plastycznej na zimno )

PresenterPresentation NotesWasnoci materiau zmieniaj si na przekroju ksztatowanego na zimno profilu ze stali nierdzewnej, co wynika z umocnienia przez zgniot.Efekt ten wystpuje rwnie dla stali czarnych ale w stalach nierdzewnych jest on zdecydowanie bardziej intensywniejszy..

Jest moliwe okrelenie wasnoci wytrzymaociowych na przekroju ksztatowanego profilu, ktry tnie si na wskie prbki i wykonuje prby rozcigania, co przy odpowiedniej iloci danych pomiarowych umoliwia opracowanie narzdzia do predykcji wasnoci elementw ksztatowanych - obecnie proces ten jest w fazie rozwoju.

By slicing specimens into a series of strips and then measuring the stress-strain characteristics, its possible to build up a profile of strength around the section, and with sufficient data, predictive tools can be developed this process is underway at the moment.

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

Umocnienie zgniotem nie zawsze przydatne

Sprzt do przetwarzania jest ciszy i o wikszej mocy Wymagane s wiksze siy Ograniczona plastyczno (jakkolwiek

pocztkowa plastyczno jest wysoka zwaszcza stali austenitycznych) Mog powsta niepodane naprenia

szcztkowe

23

PresenterPresentation NotesZmniejszenie plastycznoci nigdy nie stanowi problemu dla stali austenitycznych, poniewa posiadaj one wysok pocztkow plastyczno, okoo 50% (wicej na ten temat w dalszej czci tej prezentacji).

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

Plastyczno i udarno

Plastyczno zdolno do rozcigania bez naruszenia spjnoci (rozerwania)

Udarno zdolno do absorbcji energii i plastycznego odksztacenia bez pkania

24

Naprenie,

Odksztacenie,

Kruchy Cigliwy

Powierzchnia pod krzyw = zaabsorbowana energia

PresenterPresentation NotesStale nierdzewne rni si od stali wglowych take pod wzgldem plastycznoci i udarnoci.

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

Charakterystyka naprenie-odksztacenie zakres duego odksztacenia

25

Nap

re

nie,

Odksztacenie,

Austenityczna stal nierdzewna

Stal wglowa S355

Stal nierdzewna typu duplex

PresenterPresentation NotesWykres przedstawia pen krzyw naprenie-odksztacenie do zerwania oraz umoliwia porwnanie plastycznoci i udarnoci stali nierdzewnych oraz stali wglowych. Mona zauway, e austenityczne stale nierdzewne s znacznie bardziej plastyczne ni stale wglowe. Austenityczne stale nierdzewne wykazuj take wiksz udarno (porwna pola powierzchni pod wykresem naprenie-odksztacenie).

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

Konstrukcje odporne na uderzenie/wybuch

Pachoek bezpieczestwa

Odporne na wybuch ciany o przekroju trapezowym s stosowane do nadwodnych czci konstrukcji platform wiertniczych

26

PresenterPresentation NotesWysoka odporno na uderzenie jest rwnie wymagana dla pachokw bezpieczestwa oraz cian odpornych na wybuch, ktre chroni personel na wypadek eksplozji w nadwodnych czciach konstrukcji platform wiertniczych.

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

Charakterystyka naprenie-odksztacenie

Nieliniowa zaleno..prowadzi do: rnych maksymalnie dopuszczalnych

stosunkw szerokoci do gruboci przekrojw dla lokalnej utraty statecznoci,

rnych zjawisk niestatecznoci elementw pod wpywem ciskania i zginania,

wikszego ugicia

27

PresenterPresentation NotesRozpatrujemy teraz wpyw nieliniowej zalenoci krzywej naprenie-odksztacenie na wasnoci konstrukcyjne stali nierdzewnych.

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

Niska smuko supy uzyskuj/przekraczaj naprenia krytyczne, korzy pynca z wystpujcego umocnienia zgniotemstale nierdzewne wykazuj wasnoci przynajmniej tak dobre jak stale czarne

Wysoka smuko niska wytrzymao osiowa, niskie naprenia,a w zakresie liniowym stale nierdzewne zachowuj si podobnie do stali wglowych, zapewniajc jednakowe naprenia geometryczne i szcztkowe

Wpyw na stateczno

28

PresenterPresentation NotesRozpatrujc wpyw zalenoci naprenie-odksztacenie na utrat statecznoci, oddzielnie bdzie analizowany sup o niskiej, wysokiej i poredniej smukoci.

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

Wpyw na stateczno

Porednia smukorednie naprenia w supie mieszcz si midzy granic proporcjonalnoci a odksztaceniem trwaym 0,2%, sup ze stali nierdzewnej jest sabszy ni sup ze stali czarnej

29

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

0 200 400 600 800 1000 1200

Stal nierdzewna k2,Stal nierdzewna k0.2p,Stal wglowa k2,Stal wglowa k0.2p,

Temperatura (oC)

k0.2p, = wspczynnik redukcji wytrzymaoci przy Rp0,2%

k2, = wspczynnik redukcji wytrzymaoci przy odksztaceniu trwaym 2%

Wasnoci w wysokiej temperaturzeW

sp

czyn

nik

redu

kcyj

ny (w

ytrz

yma

o)

PresenterPresentation NotesNa wykresie przedstawiono porwnanie wspczynnika redukcyjnego wytrzymaoci w podwyszonej temperaturze dla stali wglowej i stali nierdzewnej. Wspczynnik redukcyjny wytrzymaoci przy odksztaceniu trwaym 2% przedstawiono lini cig a wspczynnik redakcyjny wytrzymaoci przy Rp0,2% lini przerywan. Wyranie wida, e stale nierdzewne zdecydowanie lepiej zachowuj wytrzymao w temperaturze powyej 500C ni stale wglowe.

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

0 200 400 600 800 1000 1200

Stainless Steel

Carbon steel

Temperatura (oC)

Wasnoci w wysokiej temperaturze

Wspczynnik redukcyjny sztywnoci

Wsp

cz

ynni

k re

dukc

yjny

szt

ywno

ci k

E,

Stal nierdzewna

Stal wglowa

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

0

5

10

15

20

25

0 200 400 600 800 1000 1200

Wyd

ue

nie

(x 1

0-3 )

Temperatura (oC)

Stal w glowa

Stal nierdzew naStainless steel

Carbon steel

Rozszerzalno cieplna

Wasnoci w wysokiej temperaturze

Stal nierdzewna

Stal wglowa

Chart1

2020

100100

200200

300300

400400

500500

600600

700700

750750

800800

860860

900900

10001000

11001100

12001200

Stal wglowa

Stal nierdzewna

Carbon Steel

Stainless Steel

Temperatura (oC)

Wyduenie (x 10-3)

0

0

0.9984

1.3173256

2.3184

3.0434904

3.7184

4.8510364

5.1984

6.7325056

6.7584

8.68044

8.3984

10.6873816

10.1184

12.7458724

11

13.792118125

11

14.8484544

11

16.128064848

11.8

16.9876696

13.8

19.15606

15.8

21.3461676

17.8

23.5505344

Sheet1

TempCSSS

2000

1001.001.32

2002.323.04

3003.724.85

4005.206.73

5006.768.68

6008.4010.69

70010.1212.75

75011.0013.79

8001114.85

8601116.13

90011.816.99

100013.819.16

110015.821.35

120017.823.55

Y. Sakumoto et al

SSCSEC3SSalphatemp

200.3469280.22801600.1020

1001.75321.18041.31732561.70.0000164666100

2003.55282.46163.04349043.40.0000169083200

3005.39883.84364.85103645.30.0000173251300

4007.29125.32646.73250567.20.0000177171400

5009.236.918.6804490.0000180842500

60011.21528.594410.687381610.80.0000184265600

70013.246810.379612.745872412.90.0000187439700

80015.324812.265614.8484544150.0000190365800

90017.449214.252416.987669617.10.0000193042900

100019.6216.3419.1560619.40.0000195471000

110021.34616760.0000197651100

120023.55053440.00001995811200

Helsinki UniversityAla-Outinen

Base MaterialCold-formed materialTempCSSS

2000

20001000.951.5

1001.31.32002.253.5

200333003.755.25

3004.84.7400573.75

4006.56.55006.759.25

5008.38.36008.511.25

60010107001013.4

700121275011

80013.9514.18001115.5

9001616.185011

100090011.7517.75

110010001420

1200

Baddoo & Gardner (2000)

1001.6

2003.5

3005.2

4007.2

5009.3

60011.3

70013.4

80015.5

90017.7

100020

Sheet1

Carbon steel

Stainless steel

Carbon Steel

Stainless Steel

Temperature (oC)

Elongation (x 10-3)

Sheet2

Sheet2

20202020

100100100100

200200200200

300300300300

400400400400

500500500500

600600600600

700700700700

800800800800

900900900900

EN 1.4301 (Y. Sakumoto et al)

Base Material

Cold-formed material

EC3

temperature 0C

thermal elongation (10-3)

Thermal elongation for stainless steel grade EN 1.4301

0.346928

0

0

0

1.7532

1.3

1.3

1.3173256

3.5528

3

3

3.0434904

5.3988

4.8

4.7

4.8510364

7.2912

6.5

6.5

6.7325056

9.23

8.3

8.3

8.68044

11.2152

10

10

10.6873816

13.2468

12

12

12.7458724

15.3248

13.95

14.1

14.8484544

17.4492

16

16.1

16.9876696

Specific heat

20202020100

100100100100200

200200200200300

300300300300400

400400400400500

500500500500600

600600600600700

700700700700800

800800800800900

9009009009001000

100010001000

1100

1200

Y. Sakumoto et al (1996) tests

A-O tests (annealed material)

A-O tests (cold-worked material)

Eurocode 3

Baddoo & Gardner (2000)

Temperature (0C)

Thermal elongation (10-3)

Figure 3.13: Thermal elongation for stainless steel grade EN1.4301

0.1

0

0

0

1.6

1.7

1.3

1.3

1.3173256

3.5

3.4

3

3

3.0434904

5.2

5.3

4.8

4.7

4.8510364

7.2

7.2

6.5

6.5

6.7325056

9.3

9

8.3

8.3

8.68044

11.3

10.8

10

10

10.6873816

13.4

12.9

12

12

12.7458724

15.5

15

13.95

14.1

14.8484544

17.7

17.1

16

16.1

16.9876696

20

19.4

19.15606

21.3461676

23.5505344

Thermal conductivity

SS

TempEC3Density

204550

100475

200495

300511

400524

500534

600542

700549

800556

900564

1000573

1100584

1200599

CS

TempEC3

20440

100488

200532

300570

400615

500682

600760

7001008

7201388

7355000

7501483

780909

800803

810771

900650

1000650

1100650

1200650

J/kgK = Nm/kgK

Nm/kgK = kgm2s-2/kgK

kgm2s-2/kgK = m2s2/K

m2s2/K = 106*3600 mm2/minK

heat flux q =A [(q-qz)4-(qo-qz)4] + h(q-qo)

0.0000000568

SHtempheat fluxtimeamplqoh

4551639744819200200002025

4751710806400000100-2.01754124850.08830.001575957100.0678906423

4951783555200000200-5.30562510060.2910.0041443699200.1532445784

5111841140800000300-996.54179961560.820.7784262483323.0900194479

5241886457600000400120.20597623111.43-0.093896199397.7130312224

5341922400000000500-153.757371717630.1201041181502.2893029919

5421951862400000600-267.465010044360.2089242864603.1176476098

5491977739200000700-594.8337179969120.4646410012705.4362483219

5562002924800000800-299.2038597399230.2337163761802.174246299

5642030313600000900174.52620898844-0.136327229898.9822733588

57320628000000001000-1280.20066351329011005.9876663282

58421032784000001100107572.874241485

59921546432000001200136292.040213581

0200

1349.2136657566

2444.5048778755

3502.2893029919

4543.8873092579

5576.4104305683

6603.1176476098

7625.776825207

8645.4551080418

9662.8463867416

10678.4273315131

11692.5395522925

12705.4362483219

13717.3103081791

14728.3120630018

15738.5609527592

16748.1534500532

17757.168595669

18765.6719607711

19773.7185436321

20781.354927231

21788.6209130917

22795.5507768948

23802.174246299

24808.5172716077

25814.6026398101

26820.4504687083

27826.0786081777

28831.5029687484

29836.737792754

30841.7958796883

31846.688774748

32851.4269275493

33856.0198265082

34860.4761132291

35864.8036803673

36869.009755751

37873.1009750144

38877.0834445746

39880.9627964535

40884.7442361797

41888.4325847927

42892.0323158006

43895.5475878003

44898.9822733588

45902.3399846575

46905.6240963249

47908.837765821

48911.9839516804

49915.0654298795

50918.084808554

51921.0445412625

52923.9469389659

53926.7941808674

54929.5883242419

55932.3313133664

56935.0249876461

57937.6710890241

58940.271268747

59942.8270935545

60945.340051349

61947.8115563976

62950.242954113

63952.6355254509

64954.9904909636

65957.3090145383

66959.5922068521

67961.8411285663

68964.0567932854

69966.2401703001

70968.3921871334

71970.5137319063

72972.6056555387

73974.6687737984

74976.7038692107

75978.7116928409

76980.6929659583

77982.6483815915

78984.5786059837

79986.484279956

80988.366020184

81990.2244203961

82992.0600524981

83993.8734676296

84995.6651971573

85997.4357536099

86999.1856315581

871000.9153084438

881002.625245362

891004.3158877989

901005.9876663282

Thermal conductivity

Stainless Steel

Carbon steel

Temperature (oC)

Specific heat (J/kgK)

Figure 3.14: Specific heat of stainless steel and carbon steel as a function of temperature

SS

TempEC3

2014.85

10015.87

20017.14

30018.41

40019.68

50020.95

60022.22

70023.49

80024.76

90026.03

100027.30

110028.57

120029.84

CS

TempEC3

2053.33

10050.67

20047.34

30044.01

40040.68

50037.35

60034.02

70030.69

79027.69

80027.30

90027.30

100027.30

110027.30

120027.30

W/mK = N/m/msK60*N/minK = N/sK

14.85891.24

15.87952.2

17.141028.4

18.411104.6

19.681180.8

20.951257

22.221333.2

23.491409.4

24.761485.6

26.031561.8

27.301638

28.571714.2

29.841790.4

Stainless Steel

Carbon Steel

Stainless Steel

Temperature (oC)

Thermal conductivity (W/mK)

Figure 3.15: Thermal conductivity of stainless steel as a function of temperature

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

Cz 3

Projektowanie zgodne z Eurokodem 3

33

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

Postpowa zgodnie z podstawowymi zasadami dla stali czarnych

Stosowa te same zasady jak dla stali czarnych dla elementw napronych i belek utwierdzonych

Pewne rnice w klasyfikacji przekrojw, lokalnej niestatecznoci i krzywych wyboczenia, zwichrzenia elementw s stosowane z powodu:

- nieliniowej krzywej naprenie-odksztacenie- wystpujcego umocnienia zgniotem- rnych poziomw napre szcztkowych

Projektowanie elementw ze stali nierdzewnej

34

PresenterPresentation NotesSlajd podsumowuje rnice midzy projektowaniem ze stali nierdzewnej i stali wglowej.

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

Midzynarodowe normy projektowe

Jakie normy projektowe sdostpne dla konstrukcjize stali nierdzewnych?

35

Klub jachtowy na wyspie Hamilton, Australia

PresenterPresentation NotesPrzyjrzyjmy si zasadom projektowania konstrukcyjnego ze stali nierdzewnej. Normy konstrukcyjne rni si na caym wiecie a ich celem jest zawsze bezpieczestwo, uytkowalno i ekonomiczno konstrukcji.

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

Eurokody s zintegrowanym zestawem przepisw projektowania konstrukcji opisujcym wszystkie powszechne materiay konstrukcyjne

36

Oddziaywania na konstrukcje

Projektowanie i szczeglne wymagania

Projektowanie geotechniczne Projektowanie sejsmiczne

Powizania midzy Eurokodami

Bezpieczestwo konstrukcji, uytkowalno i trwao

PresenterPresentation NotesIstnieje dziesi Eurokodw. Sze z nich dotyczy projektowania konstrukcji z zastosowaniem rnych materiaw:beton, stal, stal-beton, mury, aluminium, drewno. Eurokod 3 dotyczy projektowania konstrukcji stalowych.

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

Eurokod 3: Cz 1 (EN 1993-1)EN 1993-1-1 Reguy oglne i reguy dotyczce budynkw.EN 1993-1-2 Obliczanie konstrukcji z uwagi na warunki poarowe.EN 1993-1-3 Reguy uzupeniajce dla konstrukcji z ksztatownikw i blach profilowanych na zimno.EN 1993-1-4 Reguy uzupeniajce dla konstrukcji ze stali nierdzewnych.EN 1993-1-5 Blachownice.EN 1993-1-6 Wytrzymao i stateczno konstrukcji powokowych.EN 1993-1-7 Konstrukcje pytowe.EN 1993-1-8 Projektowanie wzw.EN 1993-1-9 Zmczenie.EN 1993-1-10 Dobr stali ze wzgldu na odporno na kruche pkanie i cigliwo midzywarstwow.EN 1993-1-11 Konstrukcje cignowe.EN 1993-1-12 Reguy dodatkowe rozszerzajce zakres stosowania EN 1993 o gatunki stali wysokiej wytrzymaoci do S 700 wcznie.

37

PresenterPresentation NotesEurokod 3 jest podzielony na kilka czci. Obejmuje on projektowanie rnych typw konstrukcji takich jak: budynki, mosty, zbiorniki, palowanie, itd.Cz 1-4 zawiera reguy uzupeniajce dla konstrukcji ze stali nierdzewnych.

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

Eurokod 3: Projektowanie konstrukcji stalowych, Cz 1.4 Reguy uzupeniajce dla stali nierdzewnych

Projektowanie konstrukcji stalowych.Reguy uzupeniajce dla konstrukcji ze stali nierdzewnych (2006)

Zmieniaj i uzupeniaj w razie potrzeby reguy stosowane dla stali wglowych podawane w innych czciach Eurokodu 3

Stosowane dla budynkw, mostw, zbiornikw itd.

38

PresenterPresentation NotesGwna cz Eurokodu, ktra dotyczy stali nierdzewnych zawiera si w EN 1993-1-4. Ta cz Eurokodu zawiera 3 uzupeniajce reguy dla stali nierdzewnych, gdzie ich charakterystyka jest inna. Zasady generalnie opisano w ten sam sposb jak dla stali wglowych w celu uatwienia przekazu inynieriom, ktrzy maj wiksze dowiadczenie przy projektowaniu z zastosowaniem stali czarnych.

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

Eurokod 3: Projektowanie konstrukcji stalowych, Cz 1.4 Reguy uzupeniajce dla stali nierdzewnych

Walcowane na gorcoi spawane

Walcowane na zimno Prty

Typy elementw

Zakres Elementy i poczenia Warunki poarowe (przez odniesienie do EN

1993-1-2) Zmczenie (przez odniesienie do EN 1993-1-9)

Gatunki

39

EC3-1-4 Kolejna aktualizacja

Ferrytyczne 3 3

Austenityczne 16 16

Duplex 2 6

PresenterPresentation NotesIstniej inne normy projektowe dla konstrukcji ze stali nierdzewnych, generalnie dla materiaw walcowanych na zimno.

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

Inne normy projektowe

Japonia dwie normy: jedna dla elementw ze stali nierdzewnych walcowanych na zimno, druga dla elementw spawanych

Poudniowa Afryka, Australia, Nowa Zelandia normy dla walcowanych na zimno elementw ze stali nierdzewnych

Chiny norma w trakcie opracowania USA specyfikacja ASCE dla walcowanych na zimno

elementw i AISC Design Guide dla walcowanych na gorco i spawanych konstrukcji ze stali nierdzewnych

40

PresenterPresentation NotesIstniej inne normy projektowe dla konstrukcji ze stali nierdzewnych, generalnie dla materiaw walcowanych na zimno.

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

Nastpne slajdy przedstawiaj podsumowanie zasad projektowych dla stali nierdzewnych podanych w EN 1993-1-4 i gwne rnice w stosunku do stali czarnych.

Supy odporne na wybuch w zadaszeniu przed wejciem, Seven World Trade Centre, Nowy Jork

41

Eurokod 3: Projektowanie konstrukcji stalowych, Cz 1.4 Reguy uzupeniajce dla stali nierdzewnych

PresenterPresentation NotesNa kolejnych slajdach przedstawiono reguy projektowe dla stali nierdzewnych zawarte w EN 1993-1-4.

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

Klasyfikacja przekrojw i lokalna utrata statecznoci w EN 1993-1-4

Nisze ni dla stali czarnych maksymalne stosunki szerokoci do gruboci przekrojw

Nieznacznie inna zaleno do obliczenia szerokoci wsppracujcej przekrojw

42

Pomimo toKolejna wersja EN 1993-1-4 bdzie zawieramniej konserwatywne maksymalne stosunki wymiarowe przekrojw i zalenoci na szerokoci wsppracujce przekrojw.

PresenterPresentation NotesStale czarne i nierdzewne s w ten sam sposb sklasyfikowane w 4 klasach. Pomimo to, stosunki szerokoci do gruboci przekrojw dla stali nierdzewnych s oglnie nisze ni dla stali czarnych.

Klasyfikacja przekrojw ze stali czarnych dla rnych przekrojw standardowych jest podana w rnych rdach, np. SCI Blue Book. Podobne rda informacji nie s dostpne dla stali nierdzewnych, poniewa brak jest standardowych grup dla ksztatw przekrojw. Z tego wzgldu projektanci musz samodzielnie dokona klasyfikacji przekrojw, co moe by uciliwe. Istnieje oprogramowanie komputerowe uatwiajce ten proces, ktre jest dostpne pod adresem www.steel-stainless.org/software

Od czasu, gdy opracowano reguy projektowe zawarte w Eurokodach dostpnych jest sporo danych eksperymentalnych dla konstrukcji ze stali nierdzewnych i obecnie dane te uzasadniaj stosowanie mniej konserwatywnych ogranicze dla klasyfikacji przekrojw, generalnie zblionych do wymaga stosowanych dla stali czarnych. Z tego wzgldu ograniczenia te zostan obnione w nastpnej wersji normy EN 1993-1-4, ktra ma zosta opublikowana w 2014 roku.

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

Wewntrzne czci ciskane

43

=235

210000

EC3-1-1: Stal wglowa EC3-1-4: Stal nierdzewna EC3-1-4: Kolejna aktualizacja

Klasa Cz zginana

Cz ciskana

Cz zginana

Cz ciskana

Cz zginana

Cz ciskana

1 c/t 72 c/t 33 c/t 56 c/t 25,7 c/t 72 c/t 33

2 c/t 83 c/t 38 c/t 58,2 c/t 26,7 c/t 76 c/t 35

3 c/t 124 c/t 42 c/t 74,8 c/t 30,7 c/t 90 c/t 37

Klasyfikacja przekrojw i lokalna utrata statecznoci w EN 1993-1-4

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

Zewntrzne czci ciskane

44

=235

210000

EC3-1-1: Stal wglowa

EC3-1-4: Stal nierdzewna EC3-1-4: Kolejna aktualizacja

Class Cz ciskana

Spawane Profilowane na zimno

Cz ciskana

1 c/t 9 c/t 9 c/t 10 c/t 9

2 c/t 10 c/t 9,4 c/t 10,4 c/t 10

3 c/t 14 c/t 11 c/t 11,9 c/t 14

Klasyfikacja przekrojw i lokalna utrata statecznoci w EN 1993-1-4

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

Projektowanie elementw napronych, supw i belek

Generalnie stosowa te same zasady jak dla stali wglowych

Stosowa inne krzywe dla wyboczenia supw i belek niestonych (zwichrzenie)

Upewni si, e przyjto waciw warto fy dla danego gatunku (wartoci minimalne podane w normach EN 10088-4 i -5)

45

PresenterPresentation NotesWartoci minimalnej umownej granicy plastycznoci Rp0,2 s podane w zharmonizowanych normach materiaowych:EN 10088-4 to zharmonizowana norma wyrobw paskich ze stali nierdzewnych dla blach grubych, blach cienkich i tamEN 10088-5 to zharmonizowana norma wyrobw dugich ze stali nierdzewnych dla prtw i drutw.

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

Idealne zachowanie si supa

Dwie granice: uplastycznienie i wyboczenie:

Afy

Smuko

Uplastycznienie materiau(zgniatanie)

Obcienie krytyczne wyboczenia sprystego wg Eulera Ncr

NEd

NEd

Lcr

Sia

Up

last

yczn

ien

ie

Wyb

ocz

enie

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

Odporno na wyboczenie elementu ciskanegoNb,Rd:

Nb,Rd =

AfyM1

Nb,Rd =

Aeff fyM1

Wyboczenie supa(elementy ciskane o staym przekroju)

W przypadku przekrojw klasy 1, 2 i 3

W przypadku klasy 4

Wspczynnik niestatecznoci

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

Smuko wzgldna:

w przypadku przekrojw klasy 1, 2 i 3

= w przypadku przekrojw klasy 4

Ncr sia krytyczna odpowiadajca postaci wyboczenia sprystego, wyznaczona na podstawie cech geometrycznych przekroju brutto

AfyNcr

Aeff fyNcr

Wyboczenie supa(elementy ciskane o staym przekroju)

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

Wspczynnik niestatecznoci:

=

1 + (2 2)0,5

1

=0,5(1+(0)+2)

Parametr imperfekcji Dugo pki plastycznej

Wyboczenie supa(elementy ciskane o staym przekroju)

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

Wyboczenie gitne kolumny

Wybr krzywej wyboczenia zaley od ksztatu przekroju, sposobu wytwarzania i osi bezwadnoci

rdo: EN 1993-1-4

PresenterPresentation NotesKrzywe wyboczenia dla stali nierdzewnych maj t sam posta matematyczn jak krzywe dla stali czarnych podczas, gdy wspczynnik imperfekcji (alfa) i smuko graniczna (lambda zero z poziom kresk na grze) s rne.

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

Krzywe wyboczenia gitnego w Eurokod 3

Smuko wzgldna

Stal nierdzewna: ksztatowniki zamknite (spawane + bezszwowe), ceowniki zimnogiteStal nierdzewna: dwuteowniki spawaneStal czarna: dwuteowniki spawane, ksztatowniki zamknite zimnogite, ceowniki zimnogiteStal czarna: ksztatowniki zamknite wykonane na gorco

Wsp

cz

ynni

k w

yboc

zeni

a

PresenterPresentation NotesNa wykresie porwnano krzywe wyboczenia stali czarnej (spawane dwuteowniki i ksztatowniki zamknite) i nierdzewnej (spawane dwuteowniki i ksztatowniki zamknite).

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

Eurokod 3 Wyboczenie gitne przykad

Profilowany na zimno przekrj kwadratowy poddany osiowemu ciskaniu

Stal wglowa

Austenityczna stal nierdzewna

Materia S235 EN 1.4301

fy [N/mm] 235 230

E [N/mm] 210000 200000

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

Eurokod 3 Wyboczenie gitne przykadEC 3-1-1: stal czarna S235 Klasyfikacja

wszystkie czci wewntrzne = 21 < 33 = 33

klasa 1

Przekrj = klasa 1

EC 3-1-4: Austenityczna nierdzewna

Klasyfikacja

wszystkie czci wewntrzne = 21 < 25,35 = 25,7

klasa 1

Przekrj = klasa 1

53

=235

= 1 =235

210000

=0,99

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

54

EC 3-1-1: stal wglowa S355

EC 3-1-4: Stal nierdzewna duplex

A [mm] 1495 1495fy [N/mm] 235 230

1 1,1Nc,Rd [kN] 351 313Lcr [mm] 2100 2100

93,9 92,6

0,575 0,583

0,49 0,49

0,2 0,4

0,76 0,71

0,80 0,89

1 1,1Nb,Rd [kN] 281 277

Eurokod 3 Wyboczenie gitne przykad

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

Eurokod 3 Wyboczenie gitne przykad

Porwnanie

W podanym przykadzie, stal wglowai nierdzewna wykazuj zblion nono

na wyboczenie gitne.

55

EC 3-1-1: stal czarna S235

EC 3-1-4: Austenityczna stal nierdzewna

fy [N/mm] 235 230

1,0 1,1

1,0 1,1

Mc,Rd przekroju 351 313

Odporno na zwichrzenie Mb,Rd

281 277

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

Odporno na zwichrzenie

Moliwo zwichrzenia moe by zdyskontowana w nastpujcych przypadkach:

gdy zginanie odbywa si tylko wzdu osi sabszej bezwadnoci

dla ksztatownikw zamknitych o przekroju okrgym i kwadratowym oraz prtw o przekroju okrgym i kwadratowym

dla belek bocznie utwierdzonych na caej dugoci za pomoc waciwych sposobw

gdy parametr smukoci granicznej jest niszy od 0,4 LT

zwichrzenie

PresenterPresentation NotesLateral torsional buckling is the member failure mode associated with unrestrained beams loaded about their major axis.

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

Odporno na zwichrzenie

Zaoenie podczas projektowania dla odpornoci na zwierzchnie jest analogiczne jak dla wyboczenia kolumny.

1.0

M

Wyfy

Sprystezwichrzenie materiau(w paszczynie zginania)

Spryste zwichrzenie elementu Mcr

Lcr

MEd MEd

Smuko graniczna LT

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

Odporno na zwichrzenie Mb,Rd niestonych belek (lub odcinkw belek) oblicza si nastpujco:

Mb,Rd = LTWy

fyM1

Wspczynnik niestatecznoci dla zwichrzenia

Odporno na zwichrzenie

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

Krzywa zwichrzenia przestawia zaleno:

LT =1

LT + LT2 LT

2but LT 1.0

LT = 0.5[1+LT (LT 0.4)+LT2 ]

Dugo pki plastycznej

Parametr imperfekcji

Odporno na zwichrzenie

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

Krzywe zwichrzenia w Eurokode 3

60

Smuko wzgldna

Wsp

cz

ynni

k zw

ichr

zeni

a

Stal czarna: dwuteowniki spawaneStal czarna: ceowniki zimnogite

Stal nierdzewna: dwuteowniki spawaneStal nierdzewna: ceowniki zimnogite

PresenterPresentation NotesNa wykresie porwnano krzywe zwichrzenia stali czarnej (dwuteowniki spawane, ceowniki zimnogite) i nierdzewnej (dwuteowniki spawane, ceowniki zimnogite).

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

Smuko przy zwichrzeniu :

Krzywe zwichrzenia jak dla ciskania (z wyjtkiem krzywej a0)

Wy zaley od klasyfikacji przekroju Mcr moment krytyczny przy zwichrzeniu

sprystym

LT =

Wy fyMcr

Smuko wzgldna

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

Eurokod 3 Smuko przy zwichrzeniu przykad

Dwuteownik poddany zginaniu

62

Stal wglowa Stal nierdzewna duplex

Materia S355 EN 1.4162

fy [N/mm] 355 450

E [N/mm] 210000 200000

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

Eurokod 3 Smuko przy zwichrzeniu przykad

EC 3-1-1: S355 Klasyfikacja

Stopka = 6,78 < 7,3 = 9

klasa 1 rodnik

= 45,3 < 58,3 = 72klasa 1

Przekrj = klasa 1

EC 3-1-4: Duplex Klasyfikacja

Stopka = 6,78 < 7,76 = 11

klasa 3 rodnik

= 45,3 < 58,3 = 72klasa3

Przekrj = klasa 3

63

=235

= 0,81 =235

210000

= 0,71

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

Eurokod 3 Smuko przy zwichrzeniu przykad

EC 3-1-1: S355 nono

Klasa 1

, =0

= 196

EC 3-1-4: Duplex nono

Klasa 3

, =0

= 202

64

Aktualizacja EC 3-1-4: Klasyfikacja: blisza stali wglowej

Przekrj = klasa 2

, =0

= 226

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

Eurokod 3 Smuko przy zwichrzeniu przykad

EC 3-1-1: S355 EC 3-1-4: duplex

C1 [-] 1,04 1,04

C2 [-] 0,42 0,42

kz [-] 1 1

kw [-] 1 1

zg [mm] 160 160

Iz [mm4] 5,6.106 5,6.106

IT [mm4] 1,2.105 1,2.105

Iw [mm6] 1,2.1011 1,2.1011

E [MPa] 210000 200000

G [MPa] 81000 77000

Mcr [kNm] 215 20565

Critical elastic buckling load

= 12()2

2

+ 22

+ 22 2

Sprysty moment krytyczny:

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

Eurokod 3 Smuko przy zwichrzeniu - przykad

66

EC 3-1-1: stal czarna S355

EC 3-1-4: stal nierdzewna duplex

EC 3-1-4:Aktualizacja

Wy [mm] 5,5.105 4,9.105 5,5.105

fy [N/mm] 355 450 450

Mcr [kNm] 215 205 205

0,96 1,04 1,10

0,49 0,76 0,76

0,2 0,4 0,4

1,14 1,29 1,37

0,57 0,49 0,46

1,0 1,1 1,1

Mb,Rd [kNm] 111 99 103

Odporno na zwichrzenie

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

Eurokod 3 Smuko przy zwichrzeniu przykad

67

EC 3-1-1: stal czarna S355

EC 3-1-4: stal nierdzewna duplex

EC 3-1-4: przysza aktualizacja

fy [N/mm] 355 450 450

1,0 1,1 1,1

1,0 1,1 1,1

Mc,Rd przekroju 196 202 226

Nono na zwichrzenie Mb,Rd

110 98 102

Porwnanie

W podanym przykadzie stal czarna i nierdzewna wykazuj zblion odporno na zwichrzenie.

Jakkolwiek: Ostatnie badania i publikacje naukowe wskazuj, e podane wartoci powinny by bardziej dostosowane do warunkw rzeczywistych s zbyt konserwatywne.

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

Cz 4

Metody alternatywne

68

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

Metody alternatywne

Metoda (DSM) Direct strength method Cz przepisw amerykaskich Dla profili cienkociennych

Metoda (CSM) Continuous strength method Uwzgldnia pozytywne oddziaywania umocnienia

zgniotowego

Metoda elementw skoczonych69

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

Metoda DSM (Direct strength method)

AISI Zacznik 1 Bardzo prosta i oczywista metoda Stosowana dla przekrojw cienkociennych

Wymaga analizy wyboczenia sprystego Metoda teoretyczna opisana w literaturze Metoda pasm skoczonych (na przykad CUFSM)

Wicej informacji na: http://www.ce.jhu.edu/bschafer/

70

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

Metoda DSM (Direct strength method) przykad

Ceownik pzamknity poddany ciskaniu Ferrytyczna stal nierdzewna

Wysoko kolumny: EN 1.4003 fy = 280 N/mm fu = 450 N/mm E = 220000 N/mm

71

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

Pierwszy krok: okrelenie wyboczenia sprystego postaci niestatecznoci

72

miejscowa dystorsyjna

oglna

Wyniki CUFSM

Dugo

Wsp

cz

ynni

k ob

ci

enia

Metoda DSM (Direct strength method) przykad

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

Wyniki analizy = obcienie wyboczenia sprystego W przykadzie wspczynnik obcienia dla

wyboczenia sprystego wynosi: miejscowo: 0,80 dystorsyjnie: 1,26 oglnie: 0,28

Drugi krok: obliczenie wytrzymaoci nominalnej dla Wyboczenia miejscowego jedno rwnanie Wyboczenia dystorsyjnego jedno rwnanie Wyboczenia oglnego jedno rwnanie

73

Metoda DSM (Direct strength method) przykad

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

74

Nominalna wytrzymao wyboczenia oglnego

Metoda DSM (Direct strength method) przykad

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

75

Nominalna wytrzymao wyboczenia miejscowego

Metoda DSM (Direct strength method) przykad

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

76

Nominalna wytrzymao wyboczenia dystorsyjnego

Metoda DSM (Direct strength method) przykad

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

Trzeci krok : wytrzymao osiowa stanowi jedynie minimum wytrzymaoci nominalnej

Miejscowej: Pnl = 93,81 kN Dystorsyjnej: Pnd = 344,56 kN Oglnej: Pne = 93,81 kN

Pn = 93,81 kN

77

Metoda DSM (Direct strength method) przykad

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

Metoda CSM (Continuous strength method)

Charakterystyka materiaowa stali nierdzewnej: Nieliniowy model materiaowy Umocnienie zgniotem Konwencjonalne metody projektowania nie s w

stanie wykorzysta penego potencjau charakterystyki przekrojw

78

Metoda Continuous strength method (CSM) stosuje model materiaowy uwzgldniajcy

umocnienie zgniotem

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

Model materiaowy rozpatrywany w metodzie CSM

79

Naprenie

Model Ramberga-OsgoodaModel CSM

Odksztacenie

Metoda CSM (Continuous strength method)

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

ciskanie Zginanie

80

Metoda CSM bardziej dokadnie oddaje zachowania przekroju

Porwnanie metod EC3 i CSM obliczenia i wyniki bada:

Metoda CSM (Continuous strength method)

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

Metoda elementw skoczonych

Charakterystyczn krzyw naprenie-odksztacenie materiau mona dokadnie modelowa (np. zgodnie z modelem materiaowym Ramberga-Osgooda lub z zastosowaniem wynikw bada wyznaczonych dla prbek wytrzymaociowych)

81

0

100

200

300

400

500

600

700

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3

Stre

ss [N

/mm

]

Strain [-]

Nap

re

nie

N/m

m2

Odksztacenie

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

Metoda elementw skoczonych

82

Dwuteownik poddany zginaniu ulega zwichrzeniu: mona modelowa wszystkie wystpujce zjawiska niestatecznoci

: Lateral torsional buckling

Naprenia szcztkowe

Niestatecznoci geometryczne

Czteropunktowe zginanie

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 10 20 30 40 50 60 70

Tota

l loa

d [k

N]

Vertical displacement [mm]

Metoda elementw skoczonych

Mona obliczy krzyw obcienie-ugicie Zachowanie spryste i pierwsze uplastycznienie

83

Cak

owite

obc

ie

nie,

kN

Przemieszczenie pionowe, mm

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 10 20 30 40 50 60 70

Tota

l loa

d [k

N]

Vertical displacement [mm]

Metoda elementw skoczonych

Wyniki: zjawisko niestatecznoci zwichrzenie

84

Cak

owite

obc

ie

nie,

kN

Przemieszczenie pionowe, mm

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 10 20 30 40 50 60 70

Tota

l loa

d [k

N]

Vertical displacement [mm]

Metoda elementw skoczonych

Wyniki: zjawisko niestatecznoci zwichrzenie

85

Cak

owite

obc

ie

nie,

kN

Przemieszczenie pionowe, mm

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 10 20 30 40 50 60 70

Tota

l loa

d [k

N]

Vertical displacement [mm]

Metoda elementw skoczonych

Wyniki: zachowanie po zwichrzeniu

86

Cak

owite

obc

ie

nie,

kN

Przemieszczenie pionowe, mm

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 10 20 30 40 50 60 70

Tota

l loa

d [k

N]

Vertical displacement [mm]

Metoda elementw skoczonych

Wyniki: zachowanie po zwichrzeniu

87

Cak

owite

obc

ie

nie,

kN

Przemieszczenie pionowe, mm

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

Cz 5

Ugicia

88

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

Ugicia

Nieliniowa charakterystyka krzywej naprenie-odksztacenie oznacza, e sztywno stali nierdzewnej gdy naprenia

Ugicia s niewiele wiksze w stalach nierdzewnych w porwnaniu do stali wglowych

Okrelajc stany graniczne uytkowalnoci dla napre w elementach, stosowa sieczny modu sprystoci

89

PresenterPresentation NotesNieliniowa charakterystyka krzywej naprenie-odksztacenie oznacza, e sztywno elementw ze stali nierdzewnej zaley od poziomu napre, sztywno spada ze wzrostem napre. Z tego wzgldu wystpujce ugicia s wiksze ni w przypadku stali wglowych.

Konserwatywna metoda wyznaczanie ugi stosuje standardow teori konstrukcji, ale zamiast Moduu Younga korzysta si z siecznego moduu sprystoci, ktry odpowiada najwikszemu poziomowi napre w elemencie.

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

Ugicia

Sieczny modu sprystoci ES dla napre w elemencie przy wyznaczaniu stanw granicznych uytkowalnoci

90

Naprenie

Naprenie dla stanu granicznego

uytkowalnoci

Odksztacenie,

PresenterPresentation NotesSlajd przedstawia rnice w wyznaczaniu siecznego i stycznego moduy sprystoci. W pocztku krzywej naprenie-odksztacenie styczny modu sprystoci jest rwny Moduowi Younga.

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

Ugicia

Sieczny modu sprystoci ES wyznaczony zgodnie z modelem Ramberga-Osgooda:

f - naprenia w stanie uytkowalnocin - (wykadnik) staa materiaowa

91

=

1 + 0,002

PresenterPresentation NotesSieczny modu sprystoci moe by wyznaczony z zastosowaniem modelu Ramberga-Osgooda. Ten model materiaowy to klasyczny model dla opisu nieliniowej zalenoci midzy napreniem i odksztaceniem w pobliu granicy plastycznoci materiaw.

Wykadnik n opisuje jak nieliniowy jest sam materia. Wiksza nieliniowo krzywej naprenie-odksztacenie skutkuje nisz wartoci wykadnika n. Dla stali austenitycznych warto wykadnika n wynosi okoo 5.6 a dla stali duplex okoo 7.2. (Stal wglowa o dwuliniowej "sprysto-idealnie plastycznej" krzywej naprenie-odksztacenie miaaby wykadnik n o wartoci nieskoczonoci.

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

Ugicia w belce z austenitycznej stali nierdzewnej

Poziom naprenia

f /fy

Sieczny modu sprystoci, ES

N/mm2% ugicia

0,25 200 000 00,5 192 000 4

0,7 158 000 27

f = naprenia w stanie uytkowalnoci

PresenterPresentation NotesTablica przedstawia jak wzrasta ugicie z poziomem napre. Przy niskim poziomie napre sieczny modu sprystoci rwny jest Moduowi Younga 200 000 MPa. Wraz ze wzrostem poziomu napre poniej 0,5, sieczny modu sprystoci zaczyna spada i zmniejsza si do poziomu 158 000 MPa przy poziomie napre 0,7.

W stalach duplex wystpuje bardzo niewielkie obnienie moduu sprystoci.

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

Cz 6

Informacje dodatkowe

93

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

Oddziaywanie obcie sejsmicznych

Wysoka plastyczno (austenityczne stale nierdzewne) + wytrzymanie wikszej liczby cykli obcienia wiksza histereza rozpraszania energii pod wpywem obcie cyklicznych

Silne umocnienie zgniotem wzmacnia powstawanie duych i odksztacalnych stref plastycznych

Wikszy wpyw szybkoci odksztacania wysza wytrzymao przy duej szybkoci odksztacania

94

PresenterPresentation NotesProjektowanie konstrukcji, ktre bd reagowa w zakresie odksztace sprystych na obcienia wywoane trzsieniem ziemi nie jest ekonomiczne, z tego wzgldu stao si powszechne zastosowanie rozpraszania energii przez odksztacenie nastpujce po odksztaceniu sprystym. Energia jak moe rozproszy ukad konstrukcji w trakcie trzsienia ziemi jest funkcj jego niesprystego odksztacenia. Wymaga to zrozumienia zjawisk.

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

Projektowanie pocze rubowych

Wytrzymao i odporno korozyjna rub i czonego materiau powinny by zblione Do czenia elementw ze stali nierdzewnej

naley stosowa ruby ze stali nierdzewnej, co zapobiega korozji galwanicznej (bimetalicznej) ruby ze stali nierdzewnej mona rwnie

stosowa do czenia elementw ze stali galwanizowanej i aluminium

95

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

Projektowanie pocze rubowych

Dla stali nierdzewnych mona generalnie zastosowa zasady obowizujce dla rub ze stali czarnych w zakresie otworw przejciowych (przy rozciganiu, cinaniu)

Ze wzgldu na konieczno ograniczenia odksztacenia wynikajcego z wysokiej plastyczno stali nierdzewnych stosuje si specjalne wymagania dla oblicze wytrzymaoci na docisk

fu,red = 0,5fy + 0,6fu fu

96

PresenterPresentation NotesPoczenia rubowe projektuje si generalnie w ten sam sposb zarwno dla stali czarnych jak i nierdzewnych. Ze wzgldu na wysok plastyczno stali nierdzewnych stosuje si specjalne wymagania dla oblicze wytrzymaoci na docisk.

Wymagana jest wiksza dokadno podczas okrelania nonoci dla stali nierdzewnych: dla pocze ze stali czarnych krzywa obcienia i odksztacenia spaszcza si po rozpoczciu i wystpieniu uplastycznienia, natomiast dla pocze ze stali nierdzewnych krzywa ta nadal znaczco ronie z uwagi na umocnienie zgniotem.

Eurokod definiuje wytrzymao na docisk przez przyjcie wartoci zredukowanej fu,red , w przeciwiestwie do penej wartoci wytrzymaoci na rozciganie, ktr stosuje si dla stali czarnych.

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

ruby sprone

Przydatne w konstrukcjach mostw, wie, masztw itd., gdy: poczenie podlega wibracjom, naley wyeliminowa spolizg midzy elementami, wystpujce siy czsto zmieniaj wartoci od

dodatnich do ujemnych

Brak zasad projektowych dla rub spronych ze stali nierdzewnej

Zawsze naley wykona stosowne badania

97

PresenterPresentation Notesruby ze stali nierdzewnych mog by stosowane w stanie spronym pod warunkiem, e zostan zastosowane odpowiednie techniki sprenia poczenia. Jeeli ruby ze stali nierdzewnych s silnie dokrcone moe wystpi problem zatarcia zcza. Zastosowanie sprenia wymaga uwzgldnienia zmiennego w czasie zjawiska relaksacji napre. Poczenia nie powinny by projektowane jako odporne na polizg zarwno w stanie granicznym nonoci i jak i uytkowalnoci, chyba e potwierdzi si ich dopuszczalno w szczeglnym zastosowaniu za pomoc odpowiednich bada.

Wspczynniki polizgu dla powierzchni stykowych zcza ze stali nierdzewnej bd prawdopodobnie nisze ni powierzchni stykowych zcza ze stali wglowej.

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

Projektowanie pocze spawanych

Dla stali nierdzewnych mona stosowa zasady projektowe obowizujce dla stali czarnych Naley stosowa odpowiednie dla gatunku

stali nierdzewnej materiay dodatkowe Stale nierdzewne mona spawa ze stalami

wglowymi, ale wymagane jest odpowiednie przygotowanie poczenia

98

PresenterPresentation NotesStale nierdzewne spawa si oglnie w ten sam sposb co stale czarne.

Kluczow kwesti jest stosowanie odpowiednich procedur spawania, wcznie z doborem waciwego materiau dodatkowego, a spawanie powinno by wykonane przez spawaczy o odpowiednich kwalifikacjach. Jest to konieczne nie tylko ze wzgldu na uzyskanie odpowiedniej wytrzymaoci zcza i prawidowego ksztatu spoiny, ale take dla zachowania odpowiedniej odpornoci korozyjnej spawu i materiau rodzimego wok niego. Naley pamita, e spawanie austenitycznych stali nierdzewnych wywouje wiksze odksztacenia elementw ni w przypadku stali czarnych.

Czstym pytaniem jest: czy stal nierdzewna moe by spawana ze stal wglow, co jest moliwe przy waciwym doborze skadu chemicznego materiau dodatkowego do spawania.

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

Wytrzymao zmczeniowa

Wytrzymao zmczeniowa pocze spawanych jest zalena od geometrii spoiny Pod tym wzgldem stale nierdzewne

austenityczne i duplex s co najmniej tak dobre jak stal wglowa Naley stosowa zasady obowizujce dla stali

czarnych

99

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

Cz 7

Zasoby dla inynierw

100

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

Zasoby dla inynierw

Centrum informacji online Studia przypadkw Wytyczne projektowe Przykady projektowe Oprogramowanie

101

PresenterPresentation NotesDostpnych jest duo rde informacji, ktre podaj dodatkowe wskazwki na temat projektowania z zastosowaniem stali nierdzewnych.

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

www.steel-stainless.org

102

PresenterPresentation NotesStrona organizacji SCI zawiera rne zasoby zwizane z zastosowaniami budowlanymi stali nierdzewnych.

MJ: Na stronie www.stalenierdzewne.pl zostaa stworzona nowa funkcjonalno modu Stainless in English. Jest to biblioteka online zawierajca najwaniejsze anglojzyczne publikacje zagranicznych organizacji, m.in. Steel Construction Institute. Moe mgby Pan te o tym wspomnie

http://www.steel-stainless.org/

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

Stainless in Construction Information Centre www.stainlessconstruction.com

103

PresenterPresentation NotesPortal The Stainless in Construction Information Centre stanowi miejsce kompleksowej informacji na temat projektowania z uyciem stali nierdzewnych. Strona zawiera odnoniki do materiaw nt. stali nierdzewnej w rnych jzykach. Wiele zagadnie omawianych w tej prezentacji mona znale pod odnonikiem: Codes and Standards. Strona internetowa zawiera take wiele innych wskazwek wcznie ze studiami przypadkw.

http://www.stainlessconstruction.com/

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne12 studiw przypadkw rnych konstrukcji

www.steel-stainless.org/CaseStudies

104

PresenterPresentation NotesDostpnych jest 12 studiw przypadkw, ktre przedstawiaj zakres zastosowa stali nierdzewnych na konstrukcje mostw, budynkw, konstrukcje offshore itd. Analizowane przypadki opisuj przyczyny zastosowania stali nierdzewnych, oglny projekt, specyfikacj konstrukcji, etapy wytwarzania oraz montau.

http://www.steel-stainless.org/CaseStudies

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

Oprogramowanie do projektowania dostpne online:www.steel-stainless.org/software

Wytyczne do projektowania zgodniez Eurokodami

www.steel-stainless.org/designmanual Wytyczne Objanienia Przykady projektowe

105

PresenterPresentation NotesPublikacja The Design Manual for Structural Stainless Steel obecnie trzecie wydanie, stanowi poradnik dla projektowania konstrukcji ze stali nierdzewnych zgodnie z wymogami normy EN 1993-1-4. Poradnik zawiera zarwno wskazwki oglne jak i bardzo szeroki zestaw praktycznych przykadw. Podano take objanienia opisujce badania na podstawie, ktrych opracowano wytyczne.

http://www.steel-stainless.org/uksoftwarehttp://www.steel-stainless.org/designmanual

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

Podsumowanie

Zachowanie konstrukcji: podobne do konstrukcji ze stali czarnych z pewnymi rnicami wynikajcymi z nieliniowej zalenoci krzywej naprenie-odksztacenie Opracowano szczeglne reguy projektowe rda informacji (wytyczne projektowe,

studia przypadkw, przykady praktyczne,oprogramowanie) s atwo dostpne!

106

PresenterPresentation NotesPodsumowujc, stal nierdzewna moe zapewni opacalne i estetyczne rozwizanie, jeeli prawidowo uwzgldni si jej szczeglne wasnoci.Projektowanie konstrukcji ze stali nierdzewnej rni si niewiele od projektowania konstrukcji ze stali wglowej z wyjtkiem pewnych zmian w stanach granicznych nonoci i krzywych statecznoci. Dostpnych jest wiele rde informacji, ktre wspomagaj proces projektowania z uyciem stali nierdzewnych.

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

rda EN 1993-1-1. Eurocode 3: Design of steel structures Part1-1: General rules and

rules for buildings. 2005

EN 1993-1-4. Eurocode 3: Design of steel structures Part1-4: Supplementaryrules for stainless steel. 2006

EN 1993-1-4. Eurocode 3: Design of steel structures Part1-4: Supplementaryrules for stainless steel. Modifications 2015

AISI Standard. North American specification Appendix 1: Design of Cold-FormedSteel Structural Members Using the Direct Strength Method. 2007

B.W. Schafer. Review: The Direct Strength Method of cold-formed steel member design. Journal of Constructional Steel Research 64 (2008) 766-778

S.Afshan, L. Gardner. The continuous strength method for structural stainless steel design. Thin-Walled Structures 68 (2013) 42-49

107

Kons

truk

cyjn

e st

ale

nier

dzew

ne

Dzikuj za uwag

108

PresenterPresentation NotesDzikuj za uwag

Prezentacja dla wykadowcwarchitektury i budownictwaKonstrukcyjne stale nierdzewneProjektowanie ze stali nierdzewnych Plan prezentacjiCz 1Slide Number 5Slide Number 6Slide Number 7Slide Number 8Slide Number 9Slide Number 10Slide Number 11Slide Number 12Slide Number 13Slide Number 14Cz 2Charakterystyka naprenie-odksztacenie:Stal czarna w porwnaniu do nierdzewnejCharakterystyka naprenie-odksztacenie zakres maego odksztaceniaSlide Number 18Wytrzymao obliczeniowa stali nierdzewnychWytrzymao obliczeniowa stali nierdzewnychUmocnienie zgniotem(umocnienie w wyniku obrbki plastycznej na zimno )Umocnienie zgniotem(umocnienie w wyniku obrbki plastycznej na zimno )Umocnienie zgniotem nie zawsze przydatnePlastyczno i udarnoCharakterystyka naprenie-odksztacenie zakres duego odksztacenia Konstrukcje odporne na uderzenie/wybuchCharakterystyka naprenie-odksztacenieWpyw na statecznoWpyw na statecznoWasnoci w wysokiej temperaturzeWasnoci w wysokiej temperaturzeWasnoci w wysokiej temperaturzeCz 3Projektowanie elementw ze stali nierdzewnejMidzynarodowe normy projektoweSlide Number 36Eurokod 3: Cz 1 (EN 1993-1)Eurokod 3: Projektowanie konstrukcji stalowych, Cz 1.4 Reguy uzupeniajce dla stali nierdzewnychEurokod 3: Projektowanie konstrukcji stalowych, Cz 1.4 Reguy uzupeniajce dla stali nierdzewnychInne normy projektoweEurokod 3: Projektowanie konstrukcji stalowych, Cz 1.4 Reguy uzupeniajce dla stali nierdzewnychKlasyfikacja przekrojw i lokalna utrata statecznoci w EN 1993-1-4Klasyfikacja przekrojw i lokalna utrata statecznoci w EN 1993-1-4Klasyfikacja przekrojw i lokalna utrata statecznoci w EN 1993-1-4Projektowanie elementw napronych, supw i belekIdealne zachowanie si supaWyboczenie supa(elementy ciskane o staym przekroju)Wyboczenie supa(elementy ciskane o staym przekroju)Wyboczenie supa(elementy ciskane o staym przekroju)Wyboczenie gitne kolumnyKrzywe wyboczenia gitnego w Eurokod 3Eurokod 3 Wyboczenie gitne przykadEurokod 3 Wyboczenie gitne przykadEurokod 3 Wyboczenie gitne przykadEurokod 3 Wyboczenie gitne przykadOdporno na zwichrzenieOdporno na zwichrzenieOdporno na zwichrzenieOdporno na zwichrzenie Krzywe zwichrzenia w Eurokode 3 Smuko wzgldnaEurokod 3 Smuko przy zwichrzeniu przykadEurokod 3 Smuko przy zwichrzeniu przykadEurokod 3 Smuko przy zwichrzeniu przykadEurokod 3 Smuko przy zwichrzeniu przykadEurokod 3 Smuko przy zwichrzeniu - przykad Eurokod 3 Smuko przy zwichrzeniu przykadCz 4Metody alternatywneMetoda DSM (Direct strength method)Metoda DSM (Direct strength method) przykadMetoda DSM (Direct strength method) przykadMetoda DSM (Direct strength method) przykadMetoda DSM (Direct strength method) przykadMetoda DSM (Direct strength method) przykadMetoda DSM (Direct strength method) przykadMetoda DSM (Direct strength method) przykadMetoda CSM (Continuous strength method)Metoda CSM (Continuous strength method)Metoda CSM (Continuous strength method)Metoda elementw skoczonychMetoda elementw skoczonychMetoda elementw skoczonychMetoda elementw skoczonychMetoda elementw skoczonychMetoda elementw skoczonychMetoda elementw skoczonychCz 5UgiciaUgiciaUgiciaUgicia w belce z austenitycznej stali nierdzewnejCz 6Oddziaywanie obcie sejsmicznychProjektowanie pocze rubowychProjektowanie pocze rubowychruby sproneProjektowanie pocze spawanychWytrzymao zmczeniowaCz 7Zasoby dla inynierwwww.steel-stainless.org Stainless in Construction Information Centre www.stainlessconstruction.com 12 studiw przypadkw rnych konstrukcjiwww.steel-stainless.org/CaseStudies Wytyczne do projektowania zgodnie z EurokodamiPodsumowanierdaDzikuj za uwag