Transcript Forelesning_i_Staalkonstruksjoner_2010 2

Stål
som byggemateriale
Forelesning i faget Materiallære
av Liv Torjussen
høgskolelektor ved HIG
1
Stål i bygg
• Vanlige stålbygg
• Store bygninger
• Offshore
• Bruer, mm.
• Fasader
• Plater
• Glass
• Sandwich
• Estetikk
• Stedstilpasning
• Vedlikehold
2
Fordeler
• Gode egenskaper
– Slanke konstruksjoner
– Stor styrke
• Store spennvidder
– Relativt lav vekt
• Densitet 77 kN/m³
• Fra 0,3 til 0,5 kN/m bjelke
– Enkel montasje
• Gode forbindelser
• Fleksibilitet
• Gjenbruk
3
Ulemper
– Korrosjon, rust
• Estetikk
• Sammenbrudd
Unngå fukt
– Brannmotstand
• Deformasjoner
• Sammenbrudd
Må oftest brannisoleres
– Vipping
– Utmatting
– Svingninger
4
Fremstilling
• Kjemisk sammensetning av konstruksjonsstål:
•
•
•
•
•
•
•
Jern
Karbon
Fosfor
Svovel
Nitrogen
Mangan
Silisium
ca 75 %
ca 0,2 %
99,9 % jern
5
Produksjon
• Råvarene smeltes i smelteverk
• En blokk støpes ut
• Konstruksjonsstål
varmvalses
• Tynnveggede profiler
kan kaldvalses
• Tynne produkter
kaldvalses
6
Ulegert og legert stål:
• Ulegert: Vanlig konstruksjonsstål
• Lavlegert: Ulegert + Mn, krom og nikkel = økt fasthet
Med kopper = økt korrosjonsmotstand
• Legert: Tilsatt andre metaller for spesielle
egenskaper, for eksempel 18/8 er rustfritt, med mye
krom og nikkel
7
Utettet og tettet stål
• Utettet: Stål som ble utsatt for seigring i
størkeprosessen; samling av gassporer som svekker
stålet
• Halvtettet: Vanlig konstruksjonsstål, tilsatt
ferromangan og ferrosilisium, med mindre og bedre
fordelte gassporer
• Tettet:
Tilsatt aluminium, ikke gassporer
8
Andre stålkvaliteter
• Seigherdet stål:
– Varmebehandlet og avkjølt, gir høg fasthet og seighet
(duktilitet)
• Normalisert stål:
– Lavlegert stål, oppvarmet avkjølt, blir homogent og
finkornig, gir bedre strekkfasthet og seighet
• Høyfast stål:
– Seigherdet, mikrolegert finkornstål, varmebehandlet og
mekanisk behandlet, gir øket fasthet, hardhet, seighet,
sveisbarhet.
9
Indre spenninger
• Valsede profiler har indre spenninger etter
fremstillingsprosessen
• Sveisede profiler vil ha egenspenninger etter
sveiseprosessen
• I dimensjonering av stålkonstruksjoner vil en
korrigere for slike indre spenninger.
10
Korrosjon
• Uestetisk
• Svekker konstruksjonen
• Unngå fukt!
– Konstruktiv beskyttelse
• Rette byggdetaljer
– Katodisk beskyttelse
– Annen beskyttelse
• Overflatebehandling
Se Kjemi og miljøkunnskap, kapitel 10.8 Korrosjon og korrosjonsvern.
11
Brann
• Stål brenner ikke, men:
• Bæreevnen er halvert ved 450°C
• Sammenbrudd ved 600°C
• Deformeres når temperaturen stiger over 100°C
• Brannklasser BKL
• Risikoklasse, 1 til 6
• Antall etasjer
• BKL for Stålbygg vanligvis 1 eller 2
• Brannbeskyttelse
• Gips, Steinull, Maling, (limtre)
Se Byggforskserien: 520.315 Brannbeskyttelse av stålkonstruksjoner
12
Bæreevne
• Strekkprøving av
Stålsylinder:
fu
fy
– Arbeidsdiagram
•
•
•
•
Elastisitetsgrense
Flytegrense fy (ε=2‰)
Flyteplatå (ε=2%)
Bruddgrense fu (ε=15%)
2‰
2%
15%
• Strekkfastheten = flytespenningen f
gir Fasthetsklassen
y
13
Beregningsprinsipper
Påkjenningen på konstruksjonen (dimensjonerende lastvirkning)
skal være mindre enn konstruksjonens styrke (dimensjonerende kapasitet)
– Sikkerheten på lastene tas hånd om ved å multiplisere
karakteristiske verdier med en lastfaktor
– Tilsvarende tas sikkerheten på materialstyrken hånd om ved
å dividere karakteristiske verdier med en materialfaktor
• Kapasitetskontroll, moment, trykk/strekk, skjær
• Spenningskontroll, σj ≤ fd
•
Konstruksjonsstandarder
– NS 3472 Prosjektering av stålkonstruksjoner
– Eurocode 3
14
•
•
•
•
Knekking av trykkstaver
Vipping av bjelker (se fig fra Byggforsk side 4)
Utmattingskontroll
Deformasjonskontroll
– Nedbøyningen kan ikke være større en viss verdi, av
praktiske eller funksjonelle årsaker
• Dimensjonering mot brann
15
Benevnelse for konstruksjonsstål
• Fasthetsklasse
• Strekkfasthet S, flytespenning i N/mm²
• NS 3472: S 232, S 275 og S 355
• Kvalitetsklasse
• Ulike tall og bokstavsymboler
• Bestemt av egenskaperne:
– slagseighet, sveisbarhet, hardhet,
Korrosjonsmotstand og spesiell anvendelse
• Spesifikasjon
• Profiltype, tverrsnittsform, tverrsnittsmål og materialtype
Eks.:
L–NS EN 10056 1–80x40x6–NS 10025 2–S235 JR C + AR
16
E-modul i N/mm² eller MPa
ca.-verdier for ulike materialer:
•
•
•
•
Konstruksjonsvirke
Betong
Aluminium
Stål
10
30
70
210
17
Varmeledning (U-verdi) i W/(m²∙⁰C)
for ulike materialer:
•
•
•
•
•
Konstruksjonsvirke
Lettbetong, Leca
Betong
Stål
Aluminium
0,12
0,23
1,8
40 – 60
200
18
Energibruk
•
Sammenligning av energiforbruk ved produksjon av søyle og drager konstruksjoner
Konstruksjon
Materialforbruk
pr. m²
Trefagverk med spikerplater på Trefagverk 0,032 m³
innspente limtresøyler, 20m
Limtre
0,006 m³
spenn
Stål
1,38 kg
Energiforbruk til material-fremstilling
pr m² grunnflate
24 kWt
Limtrebjelke på innspente
limtresøyler, 20m spenn
Limtre
Stål
0,044 m³
0,84 kg
47 kWt
Betong, SIB 30/120 bjelke og
innspente søyler, 18m spenn
Betong
Stål
82,40 kg
5,19 kg
73 kWt
Stål fagverksbjelker og
pendelsøyler, 20m spenn
Stål
18,00kg
155 kWt
Aluminium fagverksbjelke og
pendelsøyler, 20m spenn
Aluminium 12,30 kg
584 kWt
19
Levetid
• Lang levetid når
– Normal bruk
– Ikke fuktbelastet
• Gjenvinning
– Omsmelting
– Mindre energibruk enn ved nyproduksjon
• Gjenbruk
– Kontrollere nøye for ny bruk
20
Stålprodukter
• Ulike profiler til bjelker og søyler
•
•
•
•
•
I-bjelker / I - IPE
Bredflensbjelker / HE
U-bjelker / U
Hulprofiler / HUP
Vinkelstål / L
• Andre produkter
•
•
•
•
•
Plater
Stangstål
Rør
Strekkmetall
Wire
21
Les mer
Stålkonstruksjoner grunnkurs, 1 til 6,
Konstruksjonslære 1, Stålkonstruksjoner
Stålkonstruksjoner 1
Per Kr. Larsen, NTH 1986
Harald Falsen HIG, 2009
John Eie, NKI , 2002
Byggforskserien
Byggforsk Sintef
Byggdetaljer nr. 571.403, Metaller til bygningsbruk
NS 3472:2001: Prosjektering av stålkonstruksjoner
NS-EN 1993:2007, Eurokode 3: Prosjektering av stålkonstruksjoner
Tekniske tabeller
Jarle Johannesen, Cappelen
og mye interessant stoff finner du ved å søke på internett
22