Pred NK 1 Uvod v NSK in Vijacni spojilab.fs.uni-lj.si/.../NK_1_Uvod_v_NSK_in_Vijacni_spoji.pdf · 2014. 10. 30. · Izmeri se modul žilavosti in ne energije. Meri se za zlom (krivljenje)

1

Univerza v Ljubljani - Fakulteta za strojništvo

KKTS - LASOK

Nosilne konstrukcije

doc.dr. Boris Jerman, univ.dipl.inž.str.

Govorilne ure:

• objava na vratih

• pisarna: FS - 414

• telefon: 01/4771-414

• [email protected]

(Tema/Subject: NK10/11 - ...)

Soavtor gradiva: i.prof.dr. Janez Kramar, univ.dipl.inž.str.

u2

Obseg predmeta (4 ECTS):• predavanja: 30 ur;• seminar: 0 ur;

• vaje: 30 ur.

Obveznosti:• inskripcija;• frekvenca (prisotnost);• izpit / kolokvija (pozitivno �� 50%).

Vsak se mora sam prijaviti/odjaviti na/z izpit/a.


KKTS - LASOK


u3

Gradivo za študente (prosojnice s predavanj):http://lab.fs.uni-lj.si/lasok/index.html/http://www.fs.uni-lj.si/lasok/� Gradivo LASOK � NK ...).

Geslo za odpiranje študijskega gradiva!


KKTS - LASOK


2

1

Uvod

Nosilne konstrukcije strojev (in naprav) zajemajo tiste dele strojev, ki omogočajo pravilno razmestitev ostalih sklopov strojev, tem sklopom nudijo ustrezno oporo in se upirajo nastopajočim obremenitvam. Nosilne konstrukcije v veliki meri vplivajo tudi na zunanji izgled stroja. Največkrat jih imenujemo ogrodje stroja.

Pri opiranju drugih sklopov se lahko pojavijo velike obremenitve ogrodja.

Pomembni vidiki pri snovanju nosilnih elementov stroja/naprave:

a) zahtevana varnost (upravljavec in konstrukcija); b) zahtevana funkcionalnost; ---------------------------------------------------------------------------------1) nevarnosti, ki jim bo izpostavljen upravljavec stroja in njegova

okolica, vključno z nevarnostim za okolje;2) mehanske obremenitve, vključno s procesnimi obremenitvami; 3) temperaturne razmere v stroju (napravi) in okolici med montažo,

obratovanjem in v času vzdrževanja; 4) skrajna mejna stanja stroja (naprave) in nosilnih elementov (mejna

stanja nosilnosti); 5) mejna - še znosna deformabilnost nosilnih elementov (služnostno

mejno stanje – mejno stanje uporabnosti);6) lastne frekvence stroja in njegovih delov (npr. nevarnost

resonance).

2

2b

Pri snovanju se upošteva sledeče kriterije za dosego

vgrajene varnosti in funkcionalnosti:

- globalna stabilnost (prevrnitev stroja);- napetostni kriterij;- deformacijski kriterij;- utrujanje;- stabilnost (uklon, izbočenje);- žilavost (krhki lom).

3

3

Kovinska gradiva za NSK

Jekla:• ogljikova splošna konstrukcijska jekla (0,1 do 0,25 % ogljika in zadosti nizek odstotek žvepla, fosforja in silicija) so osnovna in najbolj pogosto uporabljana gradiva;• drobnozrnata nelegirana in nizko legirana jekla so naslednja zelo uveljavljena skupina; • nerjavna jekla prevladujejo v kemijski, farmacevtski in živilski industriji ter na področju kriotehnike; • jekla za poboljšanje se uporablja za nosilne elemente kot so sorniki, osi, gredi, zobniki itd., kjer je potrebna velika površinska trdota in se jih praviloma ne vari.

Aluminijeve zlitine (nekatere)

4

Natezni preizkus-preizkušanci (epruvete);-potek preizkusa; -rezultati preizkusa.

L0 začetna dolžina opazovanega območja;

Lp dolžina opazovanega območja ob pretrgu;

Lc dolžina valjastega območja;Lt celotna dolžina epruvete;A0 začetni presek preskušanca;Ap presek preskušanca ob

pretrgu (najmanjši);

Glede na relativno dolžino opazovanega območja (glede na d0) ločimo: L0= 10 d0 � dolga "epruveta"L0= 5 d0 � kratka evropska "e" L0=3,5 d0 � japonska "epruveta"

V primeru neokroglih presekov epruvet je merjena dolžina kratke evropske epruvete podana z izrazom:

(1/2)

Mehanske lastnosti jekla


Vir: iskraemeco-lab.si

Trgalni stroj

Epruvete okroglega in pravokotnega prereza

Simulacija nateznega preizkusa

Epruvete po nateznem preizkusu 5

4


Ozna-ka

To-čka

Opis

σprop

σel

σpl

σm

σpret

(3/3)

Primer diagrama za plastično (duktilno) jeklo.

6

6

Plastičnost (angl.: ductility) je lastnost nekaterih gradiv (npr. ogljikovih konstrukcijskih jekel), da se deli, obremenjeni preko meje plastičnosti, preden se pretrgajo, plastično deformirajo („vlečejo“).

(1/3)

Plastičnost (duktilnost) merimo na dva načina: a) z relativnim povprečnim trajnim raztezkom

(angl.: elongation, nem.: Bruchdehnung).

b) z relativnim trajnim zažemkom(angl.: contraction, nem.: Brucheinschnürung).

7

Vrednost plastičnosti je odvisna od oblike preizkušanca. Velja:

δε, 3,5 > δε, 5 > δε, 10

(Pozornost pri primerjavi podatkov!)

Duktilna gradiva imajo raztezek δε,5 = 20 % do 50 % in več.

Plastičnost je zelo pomembna za nosilne konstrukcije:• omogoča prerazdelitev napetosti (ublažitve napetostnih konic)

in s tem• zmanjšanje potrebe po zelo točnem poznavanju napetostnih

konic.

(2/3)

5

8

Plastičnost je pomembna tudi pri izdelavi (preoblikovanju):

• pri kovanju, valjanju, upogibanju in vlečenju zadostna plastičnost gradiva preprečuje pojavljanje razpok;

• plastičnost kovin se praviloma veča z višanjem temperature, zato si pri preoblikovanju pogosto pomagamo z gretjem.

POZOR! Ohlajanje gradiva opazno zniža stopnjo plastičnosti materiala. Pri izboru gradiva moramo vedno preveriti, če je pri obratovalni temperaturi gradivo še dovolj plastično.

(3/3)

9

Žilavost (angl.: toughness, nem.: Kerbschlagarbeit) je zmožnostgradiva, da med plastičnim deformiranjem (pred porušitvijo)absorbira energijo.

Opredeljena je z energijo na enoto volumna, ki jo absorbirapreizkušanec obremenjen do zloma. Specifična absorbirana energijase izračuna po enačbi:

[Nm/m3] ali [Nm/cm3]

(1/3)

Žilavost gradiva je najbolj zaželena lastnost pri konstrukcijah, ki so podvržene sunkovitim obremenitvam (mehanskim udarcem ali termičnim šokom).

Plastičnost in žilavost gradiva sta pri mehkem jeklu v dobri korelaciji.

10

Meritve žilavosti (Charpijev preizkus)Izmeri se modul žilavosti in ne energije.

Meri se za zlom (krivljenje) porabljeno delo. Delo se deli s presekom preskušanca. Žilavost "ρ“ se zato podaja v Nm/cm2 ali kar v J/preskušanec.

Standardna epruveta ima kvadratni presek 10 x 10 mm in 2 mm globoko zarezo na natezno obremenjeni stranici.

Tipi zarez:• Charpy - okrogla zareza,• Charpy - ostra zareza, • ISO ostra zareza (najbolj uveljavljena), • DVM proba, • Schnadtova proba.

(2/3)Vira slik:Westmoreland Mechanical Testing & Research, Inc. Charpy Impact Testing. Zajeto 05.10.2011 na: http://www.wmtr.com/Content/impact_testing.htm&h

TWI Ltd. Charpy Impact Testing. Zajeto 05.10.2011 na: http://www.twi.co.uk/content/jk71.html&h

Merilna skala

Vzorec /epruveta

Kladivo

Nakovalo

Začetni položaj

Končni položaj

6

• Pri jeklih za nosilne konstrukcije povprečna izmerjena vrednost žilavosti treh preskusov ne sme biti izpod 27 J/epruveto (= 35 J/cm2),

• pri čemer ne sme noben od rezultatov biti izpod 70 % gornje vrednosti (18,9 J/epruveto oz. 24,5 J/cm2).

Vir: www.wmtr.com

A=1 cm2 A=0,8 cm2

11

(3/3)

12

(Natezna) Trdnost gradiva (angl.: ultimate strength, nem.: Festigkeit) je najvišja napetost, ki jo material še lahko prenese.

Največja obremenitev preizkušanca se deli z njegovim začetnim prečnim presekom (točka M na σ−ε oz. F-∆l diagramu).

Pri plastičnih materialih je porušna obremenitev (ne porušna napetost) nekoliko nižja od največje (točka U na σ−ε diagramu)

F

∆l

13

Modul elastičnosti (ang: Young’s Module) je definiran za začetni - elastični del σ-ε diagrama. Predstavlja nagib proporcionalnega odseka krivulje.

.... elastični modul ( enota: MPa = N/mm2)

.... normalna napetost v elastičnem območju

.... raztezek v elastičnem območju

Za vsa ogljikova konstrukcijska jekla je elastični modul zelo blizu vrednosti E = 206000 MPa.

7

14

Strižni modul je definiran za začetni - elastični del τ−γ diagrama. Predstavlja nagib proporcionalnega odseka krivulje.

Običajno se ga določi računsko iz elastičnega modula in faktorja izotropne kontrakcije.

.... strižni modul ( enota: MPa = N/mm2)

τ .... strižna napetost γ .... strižna specifična deformacija

.... povezava obeh modulov

ν .... faktor izotropne kontrakcije (Poissonov količnik)

Za vsa ogljikova konstrukcijska jekla je faktor kontrakcije ν = 0,3.

15

Klasična konstrukcijska jekla:• meja plastičnosti od 185 MPa do 360 MPa• natezno trdnost od 370 MPa do 600 MPa.

Visokotrdnostna jekla:• meja plastičnosti in natezna trdnost mnogo večja;• σ-ε diagram je tu ozek in visok ter nima več izrazite meje

plastičnosti.• razmerje meje plastičnosti proti porušni trdnosti je opazno

povečano.• Elastični modul, strižni modul ter temperaturni razteznostni

koeficient so tudi praktično enaki.

16

Diagram za visokotrdnostna jekla (primer)

Vrsta Rp 0.1 Rp 0.2 Rm ε-Fmax ε-zrušjekla MPa MPa MPa % %visokot. 1200 1221 1360 5,2 9,5S235 (227) 235 (445) (16) (22)

Specifični raztezek ε [%]

Nap

etos

t [M

Pa]

0

500

1500

1000

Diagram za mehko jekla (primer S235)

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

8

17

Previdnost pri uporabi visokotrdnostnih jekel:

• material z višjo mejo plastičnosti ni vedno primernejši!• material z nizko plastičnostjo (δε) ne more v celoti

prerazporejati konic napetosti!• kdaj tako jeklo sploh uporabiti?

(kjer je lastna teža zelo pomembna in ni pretirano sunkovitih obremenitev: mostovi, veliki tlačni cevovodi, nekatere tlačne posode, avtodvigala ter žerjavi večjih in velikih nosilnosti.

• zelo skrbno oblikovanje detajlov, če se želi izkoristiti visoko nosilnost (brez večjih zareznih učinkov ter naglih sprememb togosti).

18

Razmerje med mejo plastičnosti in porušno trdnostjo:

ReH : RM

Nekatera avstenitna jekla, namenjene globokemu vleku: razmerje opazno pod 0,5.

Običajna konstrukcijska jekla: razmerje med 0,65 in 0,80.

Visokotrdnostna jekla: razmerje preko 0,80 (in se pri ultra visokotrdnostnih jeklih približujejo vrednosti 1,0).

19

Pri določanju dopustnih napetosti je pri viosokotrdnostnih jeklih potrebno upoštevati tudi natezno trdnost:

ker je

Pri višjem razmerju ReH : RM je lahko dopustna napetost, ki izhaja iz porušne trdnosti nižja od dopustne napetosti, ki izhaja iz meje plastičnosti.

9

20

Odvisnost mehanskih lastnosti od temperatureTrdnost, meja plastičnosti ter oba modula z naraščanjem temperature padajo (pri konstrukcijskih jeklih za 5 % do 10 % na 100 K).

Nad določeno temperaturo te lastnosti zelo naglo padejo - gradivo je tedaj funkcionalno neuporabno.

(1/4)

21

Odvisnost mehanskih lastnosti od temperature

Za jekla, ki se uporabljajo pri povišanih temperaturah, obstajajo podatki o lastnostih pri temperaturah do meje njihove uporabe.

Zaradi nevarnosti znižanja nosilnosti konstrukcij med požarom vsebuje standard SIST EN 1993 parametre splošnih konstrukcijskih jekel za konstrukcijo σ-ε krivulj pri povišanih temperaturah do 1200 °C, ko je konec vsakršne nosilnosti tovrstnih jekel.

Pri projektiranju za temperature, ki so znatno nad ali pod običajnimi temperaturami, je potrebno to odvisnost upoštevati !!!

(2/4)

22

Plastičnost in žilavost jekla naraščata s temperaturo. To naraščanje ni enakomerno, ampak ima pri neki temperaturi izrazit stopničasti prehod (prehodna temperatura TP).

T…temperatura v Kt … temperatura v °C

Odvisnost modula žilavosti od temperature

(3/4)

K2 -20 °C oz. dogovor

10

23

Meja med „plastičnim“ in „krhkim“ jeklom je pri žilavosti:

ρISO,V = AV(T) = 27 J/preskušanec = 35 J/cm2 .

Z zniževanjem temperature postane prej žilav material nenadoma krhek. Pri ogljikovem konstrukcijskem jeklu paderaztezek ob porušitvi δε od običajnih 25 % na vsega 2 do 3 % !

Temperaturo, pri kateri žilavost preide zgoraj navedeno mejo, imenujemo prehodno temperaturo (TP ali T27J). Prehodna temperatura se lahko tekom življenjske dobe zviša (staranje, gretje, kemijski vplivi, radiacija, ...).

Krhki lom materiala je izredno nevaren, ker je za lom takega materiala potrebna minimalna energija. Običajna ogljikova konstrukcijska jekla imajo prehodno temperaturo med 253 K in 293 K (med -20 °C in 20 °C).

(4/4)

24

Odvisnost mehanskih lastnosti od debeline gradiva

Zap. št. območja debelin za ReH

Debelinsko območje

1 0 mm < t ≤ 16 mm2 16 mm < t ≤ 40 mm3 40 mm < t ≤ 63 mm4 63 mm < t ≤ 80 mm

5 80 mm < t ≤ 100 mm6 100 mm < t ≤ 150 mm7 150 mm < t ≤ 200 mm8 200 mm < t ≤ 250 mm

Zap. št. območja debelin za Rm

Debelinsko območje

1 0 mm < t < 3 mm2 3 mm ≤ t ≤ 100 mm3 100 mm < t ≤ 150 mm4 150 mm < t ≤ 250 mm5 250 mm < t ≤ 400 mm

Nominalna meja plastičnosti za najnižji debelinski razred. Za vsak naslednji debelinski razred meja plastičnosti pade za 10 ali 20 MPa. Včasih imata dva sosednja debelinska razreda tudi enako mejo plastičnosti ali trdnost.

25

Mehanske lastnosti jeklenih pločevin:

• so v ravnini pločevine v smeri valjanja (x-smer) nekoliko višje kot pravokotno na smer valjanja (y-smer);

• v smeri debeline (z-smer) so znatno nižje (tudi do 40 % in več). Stopnja zmanjšanja je izrazitejša pri debelih pločevinah.

• velja:

11

26

Zmanjšanje meje plastičnosti in trdnosti je problematično pri obremenitvah pločevine pravokotno na ravnino valjanja(zahtevati dodatno garancijo (atest) o tej meji plastičnosti).

Dodatna težava pri debelih pločevinah: plastni iztrg –slojevitost (ang.: "lamellar tearing", nem.: Terassenbruch). Razlog: vsebnost oksidov in drugih nekovinskih primesi v ingotih (pri nečisti tehnologiji). Zavaljane okside se odkriva z ultrazvočnim pregledom. (Čista tehnologija � ni težav.)

Neugodna smer obremenitve pločevine, ki odpirazavaljane vzdolžne razpoke.

27

Kadar bi lahko bila pločevina slojevita, se je potrebno izogibati takim spojem. Za tak spoj predpisi zahtevajo ultrazvočni pregled na slojevitost.

SIST EN 1993-1-10:2005 Projektiranje jeklenih konstrukcij –1-10. del: Izbira kakovosti jekla glede na žilavost in lamelarni lom opredeljuje način: a) kako se zavarovati proti neželjeni plastovitosti gradiva; b) za izbor pločevine za primer njene obremenjenosti v smeri

debeline.

Zavarovanje proti neželeni plastovitosti pločevine dosežemo s specifikacijo mehanskih lastnosti (predvsem duktilnosti) v smeri debeline pločevine po SIST EN 10164:2005.

28

Glavne vrste konstrukcijskih jekel

Splošna konstrukcijska jekla (1/4)

ISO 630 - 1980, SIST EN 10025 - 1994, (JUS C.B0.500: 1989),(DIN 17100).

So:- toplo valjana;- nelegirana.

Ločimo:- osnovna (BS) in - kvalitetna (QS) ogljikova konstrukcijska jekla.

12

29


Zanje so predpisane mehanske lastnosti:- natezna trdnost;- meja plastičnosti;- raztezek ob porušitvi;- žilavost (garantirana pri različnih temperaturah).

Uporabljajo se za varjene, vijačene in kovičene konstrukcije za:- industrijske in druge stavbe;- mostove;- nosilne konstrukcije žerjavov in dvigal;- nosilne strojne konstrukcije;- druge dele strojev.

30


Druge lastnosti:- niso za toplotno obdelavo;- se jih da variti (so variva);- imajo garantirano kemično sestavo (0,17 %<C<0,24 %; P<0,035 %, S<0,045 %).

Na voljo so kot polizdelki:- pločevina;- ploščato jeklo;- vroče valjani profili (I, H, U, kotni, Z, ...);- cevi (okrogle, pravokotne, ...);- itd.

31


Sedem trdnostnih stopenj:- S185, S235, S275, S355, E295, E335, E360.

Pet kvalitetnih stopenj:- brez dodatne oznake (žilavost ni garantirana);- osnovna jekla (BS) z dodatno oznako JR (žilavost garantirana

pri +20);- kvalitetna jekla (QS) z dodatnimi oznakami J0, J2, K2 (žilavost

garantirana pri 0 °C, -20 °C, -20 °C(*)).

Jekla BS in QS: minimalni raztezek ob porušitvi od 17 % do 26 %.

13

32

Drobnozrnata konstrukcijska jekla (1/3)

SIST EN 10025-3 in 4:2004 (normalizirana/normalizirana valjana variva drobnozrnata konstrukcijska jekla)SIST EN 10028:2008 in 2009/del 1, del 2 in del 3, (Ploščati jekleni izdelki za tlačne posode) SIST EN 10113:1997/del 1 in del 2�Razveljavljen 2005, (stari: JUS C.B0.502, 1979, DIN 17102-1983, DIN 17155-1983 in delno DIN 280-1985).So:- popolnoma pomirjena;- drobnozrnata;- rast kristalnih zrn je preprečena s prisotnostjo določenih

legirnih elementov (vsak pod 1 %) kot so: Nb (niobij), V (vanadij), Al, Ti, Cr, Ni, Mo, Cu in N (dušik), ki se vežejo v nitrite oz. nitride in karbide;

- variva.

33


Imajo garantirano kemično sestavo:- vsebnost ogljika: C<0,20 %, - vsebnost žvepla: 0,015<S<0,025 %, - vsebnost fosforja: 0,025<P<0,030 %.

Uporabljajo se za:- tlačne posode in cevovode;- nosilne elemente cestnih in tirničnih vozil;- mostove;- druge konstrukcije velikih zahtevnosti.

34


Predstavniki so:• po SIST EN 10028-1:2008+A1:2009 (in tudi 3. del)

- P275N, P355N in P460N;- P275NH, P355NH in P460NH;- P275NL1, P355NL1 in P460NL1;- P275NL2, P355NL2 in P460NL2;

• po SIST EN 10025:2004/del 1 in 3:- S275, S355, S420 in S460.

Temperaturno območje uporabe:- jekla z oznako P in S (žilavost garantirana do -50 °C);- jekla z oznako P (uporaba do +400 °C).

Minimalni raztezek ob porušitvi za drobnozrnata jekla je od 16 % do 24 %.

14

35

Jekla, odporna proti staranju

Lastnosti:• garantirana žilavost do –50 oC;• meja plastičnosti do +400 oC;• mehanske in druge lastnosti se s časom ekploatacije ne

spreminjajo bistveno;• varivost je zelo dobra (Oblikovanje detajlov!).

Namen uporabe: • tlačni cevovodi in tlačne posode.

36

Jeklena pločevina za tlačne posode (1/2)(kotelna pločevina)

SIST EN 10028/deli 1 do 7, npr.:• SIST EN 10028-1:2008+A1:2009 Ploščati jekleni izdelki za

tlačne posode - 1. del: Splošne zahteve (in: SIST EN 10028-1:2008+A1:2009/AC:2010)

• SIST EN 10028-2:2009 Ploščati izdelki iz jekel za tlačne posode - 2. del: Nelegirana in legirana jekla s specificiranimi lastnostmi pri povišanih temperaturah

(JUS C.B4.014 – 1977),(DIN 17155�Razveljavljen in nadomeščen z DIN EN 10028).

- so nelegirana in nizkolegirana;- imajo veliko žilavost;

Predstavniki:• P235GH, P265GH, P295GH, P355GH, •16Mo3, 13CrMo4-5, 10CrMo9-10 in 11CrMo9-10

37

Jeklena pločevina za tlačne posode (2/2)(kotelna pločevina)

• namen: predvsem za parne kotle in druge vroče tlačne posode• mehanske lastnosti garantirane do 400 °C (PXXX) in celo do

500 °C (druga na prejšnji prosojnici našteta jekla);• garantirane so tudi trdnosti lezenja po:

10.000 urah, 100.000 urah in 200.000 urah.

- vsebnost ogljika: 0,08 %<C<0,22 %

- vsebnost legirnih elementov: 0,3 %<Cr<2,5 %, Ni<0,3 %, Cu <0,3 %, 0,08 %<Mo<1,1 %, Nb<0,01 %, V<0,02 % Ti< 0,03 %. Vsebujejo tudi Mn in Si.

15

38

Nerjavna konstrukcijska jekla

SIST EN 10088-1, 2005; SIST EN 10088-2, 2005; SIST EN 10088-3, 2005; (JUS C.B0. 600, 1990);(DIN 17441, 1997�razveljavljen in nadomeščen z: �DIN EN 10028-7:2008).

Nerjavna jekla po SIST EN 10088-1 vsebujejo:• Cr>10,5 % ; C< 1,2 %.

Nerjavna jekla se deli na: - feritna (20 različnih standardnih jekel) – (se magnetijo);- martenzitna – (se magnetijo);- avstenitna (37 različnih standardnih jekel) – (se ne magnetijo);- avstenitno-feritna nerjavna jekla.

Skoraj vsa nerjavna pločevina je tudi interkristalno odporna.

(1/6)

39

A. Feritna nerjavna jekla

vsebujejo največ: • 0,025 % do 0,08 % C • 0,50 % do 1,50 % Si • 0,50 % do 1,50 % Mn • 0,03 % do 0,040 % P • 0,01 % do 0,015 % S (razen dveh izjem)

ter najmanj: • 10,5 do 30 % Cr .

Drugi možni legirni elementi so še: • Mo, Nb, Ni, Ti, Zr, Al

(2/6)

Zr ... Cirkónij je sijoča sivkasto-bela, trdna prehodna kovina, ki je podobna titanu in je

zelo odporna proti koroziji. Uporaba za izdelavo zlitin, odpornih proti koroziji in v

jedrskih reaktorjih za absorber nevtronov.

Nb ... Niobij je kovina svetlo sive bare, mehka in kovna. Uporablja se v proizvodnji

korozijsko odpornih jekel. Zlitine s titanom, molibdenom in volframom so odporne

na visoke temperature.

40

B. Martenzitna nerjavna jekla

Vsebujejo:• največ 1,2 % C;• Si, Mn, S in P v podobnih količinah kot feritna nerjavna jekla.

Glavni legirni element: • 11,5 % < Cr < 19,0 %.

Ostali legirni elementi: • Cu, Mo, Nb (niobij), Ni,V (vanadij), Al.

Meja plastičnosti do 800 MPa.Natezna trdnost do 1100 MPa.

Raztezek pri porušitvi le redko preko 12 %.

(3/6)

16

41

C. Austenitna nerjavna jekla

Vsebujejo največ:• 0,015 do 0,15 % C, • 0,5 do 4,5 % Si, • 1 do 10,5 % Mn, • 0,025 do 0,045 % P, • (večinoma) do 0,015 % S.

Glavna legirna elementa sta: • Cr (16 do 28 %), • Ni (3,5 do 32 %).

Ostali legirni elementi: • Cu, Mo, Nb (niobij), Ti.

(4/6)

42

C. Austenitna nerjavna jekla

Meja plastičnosti: med 190 in 350 MPa;Natezna trdnost: med 470 in 950 MP;

Odlično razmerje: sReH/sm=0,37 do 0,40;

Raztezek ob porušitvi je visok: >35 % (pa tudi 45 %).

Najmanjša žilavost toplotno valjane avstenitne nerjavne pločevine presega 90 J.

(5/6)

43

Označevanje nerjavnih jekel:

po SIST EN 10088-1:2005:• imajo na prvem mestu črko X;• navedeni so tudi glavni legirni elementi.

Nekateri predstavniki feritnih nerjavnih jekel: X2CrNi12 X2CrTi12 X6CrNiTi12 X6Cr13 X6CrAl13 X6CrTi12

Nekateri predstavniki austenitnih jekel X10CrNi18-8 X2CrNiN18-7 X2CrNi18-9 X2CrNi19-11 0

Posebne oznake podajajo stanje površine pločevine.

(6/6)

17

44

Jekla za poboljšanje

Jekla s povečano korozijsko odpornostjo v atmosferiSIST EN 10 155, 1998 Konstrukcijska jekla z izboljšano atmosfersko korozijsko obstojnostjo - Tehnični dobavni pogoji(Razveljavljen 01-jan-2005 in nenadomeščen.)

SIST EN 10083-1:2006 Jekla za poboljšanje - 1. del: Splošni tehnični dobavni pogoji

SIST EN 10083-2:2006 Jekla za poboljšanje - 2. del: Tehnični dobavni pogoji za nelegirana jekla

SIST EN 10083-3:2006 Jekla za poboljšanje - 3. del: Tehnični dobavni pogoji za legirana jekla(in: SIST EN 10083-3:2006/AC:2008)

45

Izbor primerno kvalitetnega splošnega konstrukcijskega jekla po kriteriju žilavosti

Da sezagotovi varnost proti krhkemu lomu, je potrebno izbrati kvaliteto jekla glede na obratovalne okoliščine. Pri izboru je potrebno upoštevati naslednje vplive:

A) Kombiniran vpli nateznih napetosti s strani stalnih obremenitev ter zaostalih napetosti (zaradi varjenja) s koeficientom ZA;

B) Debelina nosilnega elementa s koeficientom ZB;C) Obratovalna temperatura in temperatura montaže s

koeficientom ZC.

46

Vplivni

koeficient ZA

σG ... Natezne napetostivsled trajnih obremenitev

σa .... Dopustna natezna napetost, določena glede na mejo plastičnosti

I, II, III ... skupine oz. vplivne linije

18

47

Vplivni koeficient ZA

σG .... Natezne napetosti vsled trajnih obremenitev σa ..... Dopustna natezna napetost, določena glede na mejo plastičnosti

48

Vplivni koeficient ZB

49

Vplivni koeficient ZC

19

50

Določitev koeficienta Z in

primerne kvalitete jekla

Z = ZA + ZB + ZC

Pri :Z ≤ 2 � jekla 1. kvalitetne skupine (brez garancije žilavosti)

2 < Z ≤ 4 � jekla 2. kvalitetne skupine (JR) 4 < Z ≤ 8 � jekla 3. kvalitetne skupine (J0) 8 < Z ≤16 � jekla 4. kvalitetne skupine (J2, K2)

51

Primer - podatki

• splošno konstrukcijsko jeklo S235;

• stalna natezna napetost 80 MPa ;

• prisotno je kopičenje zvarov;

• debelina pločevine t=18 mm;

• temperatura obratovanja T -35 OC.

52

Primer - izračun

Za navedene pogoje torej zadostuje jeklo S235J0, ki ima garantirano žilavost pri temperaturi 0 °C, čeprav obratovalna temperatura pade do –35 °C.

20


KKTS - LASOK


doc.dr. Boris Jerman, univ.dipl.inž.str.

Govorilne ure:

• pisarna: FS - 414

• telefon: 01/4771-414

• [email protected]

(Tema/Subject: NK - ...)

(So)avtor gradiva: i.prof.dr. Janez Kramar, univ.dipl.inž.str.

2. del: Vijačni spoji

2

D I M E N Z I O N I R A N J E V I J A Č N I H S P O J E V

Z vijačnimi spoji se praviloma spaja dva ločeno izdelana elementa vrazstavljivo zvezo.

Vijačni spoji se uporabljajo:• tam, kjer morajo biti posamezni sklopi medsebojno ločljivi;• kadar se na terenu sestavlja velike sklope in bi bila nenatančnost

končnega izdelka zaradi skrčkov med varjenjem na terenuprevelika.

Vijačni spoji so v primerjavi z varjenimi spoji dražji in manj togi inmnogokrat manj nosilni.

3

D e l i t e v s p o j n i h e l e m e n t o v

Trdnostni razred1)

4.6 4.8 5.6 5.8 6.8 8.8 10.9 12.9

fyb

[MPa]240 320 300 400 480 640 900 1080

fub

[MPa]400 400 500 500 600 800 1000 1200

Vijaki glede na trdnostni razred: • običajni vijaki iz jekla trdnostnih razredov:

4.6; 4.8; 5.6; 5.8 in 6.8.• visokotrdnostni vijaki so izdelani iz jekla trdnostnih razredov:

8.8; 10.9 in 12.9.

(Za nosilne konstrukcije se največ uporablja trdnostni razred 10.9. )

1) ... pomen oznake trdnostnega razreda

21

4

Vijaki glede na točnost obdelave: • grobi vijaki (1 mm ≤≤≤≤ ∆∆∆∆d ≤≤≤≤ 3 mm)*; • fini vijaki (0,3 mm ≤≤≤≤ ∆∆∆∆d ≤≤≤≤ 1 mm); • prilagodni vijaki (∆∆∆∆d<<< in definirana z ujemom);

Vijaki glede na izvedbo matice:• matični vijaki potrebujejo serijsko izdelano matico s

podložko (razne vrste matic);• nematični vijaki potrebujejo vrezan navoj v izvrtini

enega od spajanih delov.

* … imenska zračnost ∆∆∆∆dnom pri standardnih luknjah naj bo:� 1 mm za vijake M12 in M14 � 2 mm za vijake M16 do M24 � 3 mm za vijake M27 in večje

5a

D e l i t e v v i j a č n i h s p o j e v

Delitev vijačnih spojev po medsebojni legi spajanih elementov:• soležni spoji;

http://www.brownanddavis.com/blog/tag/steel-frame/

http://www.tech.plym.ac.uk/civ/PortSqua/30august.html

http://srt251khsl.blogspot.com/2008/04/blog-post.html

5b

D e l i t e v v i j a č n i h s p o j e vDelitev vijačnih spojev po medsebojni legi spajanih elementov:

T-spoj Y-spoj

http://tboake.com/SSEF1/shapes.shtml.

22

5cD e l i t e v v i j a č n i h s p o j e vDelitev vijačnih spojev po medsebojni legi spajanih elementov:

N-spoj

http://www.tatasteelconstruction.com/en/reference/teaching-resources/architectural-teaching-resource/elements/structural-steel-trusses/joints

http://www.ifeelslovenia.com/?arhitekturne_znamenitosti=4209&lng=1

http://grabcad.com/library/bolted-steel-brace-frame-connection

5dD e l i t e v v i j a č n i h s p o j e vDelitev vijačnih spojev po medsebojni legi spajanih elementov:

K-spoj

Križni/X spojhttp://www.lnasolutions.com/beamclamp-vs-traditional

http://www.csihellas.gr/?mod=articles&id=106

http://www.csihellas.gr/?mod=articles&id=106

5eD e l i t e v v i j a č n i h s p o j e v

Delitev po toku obremenitev od prvega do drugega elementa:

• prekrivni spoji;

• zaplatni spoji;

• prirobični spoji; • mešani spoji.

http://www.steelconstruction.info/File:Preloaded_Bolting.png

http://srt251khsl.blogspot.com/2008/04/blog-post.html

http://www.boltscience.com/images/flangewithstudboltsisolated.jpg

http://tboake.com/SSEF1/requirements.shtml

http://programs.en.cype.com/enlarged/joints_II_bolted_2038.htm

23

6

Delitev po prenosu obremenitev glede na vijak:- natezni spoji (NS); - strižni spoji (SS); - strižni spoji s prilagodnimi vijaki (SST); - torni spoji v izvedbi z običajnimi prednapetimi

visokotrdnostnimi vijaki (TS); - torni spoji v izvedbi s prilagodnimi prednapetimi

visokotrdnostnimi vijaki (TST).

Delitev po prednapetosti vijakov:- spoji brez prednapetja vijakov; - spoji z delnim prednapetjem vijakov; - spoji s polno prednapetimi vijaki (izvedljivi samo z

visokotrdnostnimi vijaki).

7

Dopustne obremenitve vijakov nosilnih konstrukcij

Dopustne napetosti, kadar ni polnega prednapetja

8

Nosilni presek vijaka

24

9

Dopustne obremenitve na en vijak

Natezna dopustna sila na en vijak v nateznih spojih brez prednapetja

Izhaja se iz dopustne natezne napetostiter ustreznega prereza:

... preko navoja se upošteva napetostni prerez

... preko stebla se upošteva prerez stebla

10

Obremenitve Glavne obremenitve( I )

Glavne in dodatne obremenitve ( II )

Statične obremenitveStatične + dinamične obremenitve

Natezna dopustna sila na en vijak v NS s prednapetjem

11

d[mm]

P[mm] [mm2]

Fp [kN] Mp [Nm]k = 0,162)

M6 1 20,1 12,7M7 1 28,9 18,2M8 1,25 36,6 23,1M9 1,25 48,1 30,3M10 1,5 58,0 36,5M11 1,5 72,3 45,5M 12 1,75 84,3 53 102M14 2,0 115,4 73M 16 2,0 157 99 253M18 2,5 192 121M 20 2,5 245 154 493M 22 2,5 303 191 672M 24 3,0 353 222 852M 27 3,0 459 289 1248M 30 3,5 561 353 1694M 33 3,5 694 437 2307M 36 4,0 816 514 2960

Tabela velja za VV kvalitete 10.9

Glej tudi pojasnilo na sledeči prosojnici!

25

11b

Natezne napetosti –vijak je prednapet in neobremenjen

Natezne napetosti –vijak je prednapet in obremenjen z največjo zunanjo natezno obremenitvijo

http://www.comsol.com/blogs/simulating-tensile-stress-tube-connection-prestressed-bolts/

11b

Opomba: Tabela velja za VV kvalitete 10.9

11c

2) … Koeficient k za izračun momenta prednapetja

26

12

Enačbi veljata za eno strižno ploskev vijaka!

Strigu preko navoja se je potrebno izogibati!

Strižna dopustna sila na en vijak in eno strižno ploskev v SS

Tu se izhaja iz dopustne strižne napetosti vijaka indopustnega površinskega pritiska spajanega gradiva:

13

Gradivo spajanih elementov

S 235 S 355

Vrsta vijakov Velikostsile

predna-petja

ObremenitveniSlučaj

ObremenitveniSlučaj

I I I I I I

Grobi vijaki 0 Fp 280 320 420 470

0,5 Fp 380 430 570 640

1,0 Fp 480 540 720 810

Vijaki s točnimnaleganjem

0 Fp 320 360 480 540

0,5 Fp 420 470 630 710

1,0 Fp 480 540 720 810

Dopustni pritisk na bok izvrtine

14

Način čiščenja in zaščite stičnih površin Koef. trenja µS kvarčnim peskom neposredno pred vgradnjo, sicer zaščita z aluminijevim pršilom (spray) ali metalnim pršilom na bazi cinka (potreben atest o koef. trenja).

0,5

S kvarčnim peskom in zaščitena z alkalnim cinkovim silikatom (nanos 50-80 µm)

0,4

S plamenom ali z žično ščetko 0,3Brez čiščenja 0,2

Dopustna sila na en prednapeti vijak in eno torno ploskev v TS

27

15

∆d = D – d I I I

Pretežno statična obremenitev

(stavbe, podesti, strehe, ...)

1,25 1,10

1,60 1,40

statična + dinamična obremenitev

(mostovi, žerjavi, ...)1,40 1,25

Varnostni faktor

16

Dopustna sila na en prednapeti vijak in eno torno ploskev v kombiniranem NS in TS spoju

Ft ... natezna sila na opazovani vijak

17

P r i r o b i č n i s p o j i

Prirobični spoji se pogosto uporabljajo:• pri sočelnem spajanju enoosnih nosilnih elementov,

predvsem manjših prerezov; • pri T in križnih spojih manjših in večjih prerezov; • pri spajanju delov ohišja različnih strojev in naprav; • pri sočelnem spajanju gredi; • pri sočelnem spajanju tlačnih cevovodov; • pri spajanju dveh delov raznih tlačnih posod; • ... .

Vseh šest komponent obremenitvenega vektorja: { N, Ty, Tz, Mt, My in Mz }

28

Sočelno spajanje enoosnih nosilnih elementov manjših presekov

18

Uporaba polnih prirobnic.

Vijaki so lahko v dveh vrstah znotraj gabaritov profila (B1 in B2) ali pa so v treh vrstah tako, da je natezna pasnica obdana z vijaki tudi z zunanje strani (A1 in A2).


18a1

premer VV vijaka

Najmanjša debe-lina prirobnice t

Vrsta spoja


18a2

Položaj reber na priključnem profilu

29

18b

Sočelno spajanje enoosnih nosilnih elementov manjših presekov (1/2)

Primer slednjega spoja je spoj (A2) dveh širokopasničnih I profilov:

nt ... celotno št. vijakov ob natezni pasnicihs ... srednja razdalja med pasnicama

Pogoji veljavnosti: vsi vijaki enaki; obremenitev le My in Tz (na skicah M in Q).Komentarji: tlak je v ozki okolici tlačne pasnice; pri natezni pasnici bi bili zunanji vijaki bolj obremenjeni, če ne bi bila prirobnica na zunanji strani bolj podajna.

18c

Sočelno spajanje enoosnih nosilnih elementov manjših presekov (2/2)

Če stojijo pri spoju (A2) krajno bočni vijaki že rahlo izven pasnic, se predpostavi nekoliko slabši prevzem obremenitev (k<1). V spodnji enačbi so upoštevani štirje taki vijaki:

k ≈ 0,8

Kadar je ob natezni pasnici le notranja vrsta vijakov (B2), je hs definiran drugače, obremenitev pa slabše prevzemata le dva robna natezna vijaka:

hs ... razdalja med srednicama tlačne pasnice in vrste nateznih vijakov

Upošteva se, kot da strig zaradi prečne sile Tz prevzamejo vijaki v tlačni coni spoja.

19

Sočelno spajanje enoosnih nosilnih elementov velikih zaprtih presekov (1/2)

Primer je prirobični spoj dveh škatlastih profilov,

kjer je ena vrsta vijakov na zunanji in ena vrsta na notranji strani.

y

z

30

19

Sočelno spajanje enoosnih nosilnih elementov velikih zaprtih presekov (2/2)

Prirobice v obliki zvarjenega traku vzdolž celotnega obsega zaprtega prereza.

Primer je spoj dveh škatlastih profilov, kjer je ena vrsta vijakov na zunanji in ena vrsta na notranji strani.

Tlačna osna sila se ne upošteva, ker se prenaša neposredno preko tlaka med prirobnicama.

Pogoji veljavnosti: vsi vijaki enaki; obremenitve: vseh 6 prostosti.

(v enačbi upoštevano, da 4 zunanji vogalni vijaki ne nosijo nič.)

20

Prevzem strižne sile Ty(z) poteka preko vijakov, ki so razporejeni vzdolž obeh pasnic (stojin) s tem, da se zunanjih in notranjih vogalnih vijakov ne upošteva:

ny(z) ... skupno število vijakov, ki so razporejeni zunaj in znotraj vzdolž obeh pasnic (stojin).

V enačbah upoštevano, da 4 zunanji in 4 notranji vogalni vijaki ne prevzemajo nič obremenitve (glej potek strižnih napetosti).

Prevzem torzijskega momenta Mt

Predpostavi se, da polovico torzijskega momenta prevzamejo vijaki ob pasnicah in polovico ob stojinah:

21

ny(z) ... skupno število vijakov, ki so razporejeni zunaj in znotraj vzdolž obeh pasnic (stojin).

31

22

Prevzem upogibnega momenta My

Predpostavi se, da nosijo vsi vijaki (natezni in tlačni) in da je nevtralna os simetralna y os prereza. Predpostavka je enostavnejša in na varni strani.

Hkrati se predpostavi, da je sila, ki jo prevzame posamezni (i-ti) vijak, premo sorazmerna njegovi oddaljenosti (zi) od yosi.

ki ... zmanjševalni faktor, ki upošteva zmanjšano prevzemanje obremenitve

y

z

i

zi

23

Od tu se izrazi sila v najbolj obremenjenem vijaku:

�

Obremenitveni moment je enak momentu, ki ga ustvarijo sile vseh vijakov:

Ko se vstavi enačba za FMy,i (glej prejšnjo prosojnico), dobimo:

�

23b

Vrednost sile v posameznem (i-tem) vijaku (če v enačbo vstavimo izpeljano formulo za FMy,max:

Zmanjševalni faktor ki je za zunanje vogalne vijake do 0,5, za ostale je 1.

32

23c

Prevzem upogibnega momenta Mz (analogen prevzemu My)

Zmanjševalni faktor ki je za zunanje vogalne vijake do 0,5, za ostale je 1.

Sila v najbolj obremenjenem vijaku:

Vrednost sile v posameznem (i-tem) vijaku:

24

Ko so izvrednotene vse komponente sil na posameznih vijakih, je potrebno izračunati največjo natezno (Ft) in največjo strižno(Fv) silo v vijakih.

Pomen indeksov:

V ... vogalni vijak,P ... prvi sosednji pasnični vijak tik ob zunanjem vogalnem, S ... prvi sosednji stojinski vijak tik ob zunanjem vogalnem.

25

33

26

Dodatni kombinacijski kriterij,ki ga je potrebno preveriti:

(a) pri znatnih prečnih silah v vijakih ali(b) kadar gre strižni prerez skozi navojnico,

(a) (kombinacija napetosti na steblu)

(b) (kombinacija napetosti na navoju)

v ... strig st ... v steblu vijakat ... nateg Aj’ ... preko navoja vijaka

Podani kriteriji se smiselno uporabljajo tudi v primeru polno prednapetih spojev.

27http://hydera.en.made-in-china.com/product-group/loMEshjdkQpw/Ductile-Iron-Pipe-catalog-1.html (08.102014)

http://www.amazonsupply.com/stainless-steel-fitting-flange-schedule/dp/B004XEKOJ6. (08.102014)

(a) (b)

27http://www.buzzez.co.uk/how-it-works-pipe-flanges/. http://www.farwestcorrosion.com/flange-insulating-gasket-kits.html.

(elastično tesnilo)

34

28

Navojna palica z dvema maticama in vijak s šestrobo glavo in.

(18.10.2014) http://www.wermac.org/bolts/bolts_st

ud-bolts_for-flanged-connections.html

28

Uporabljeni so neustrezno dolgi vijaki.

(18.10.2014) http://www.wermac.org/bolts/bolts_st

ud-bolts_for-flanged-connections.html

28

Zaplatni soležni spoj dveh I-profilova) obojestranski zaplatni

spoj stojineb) b) enostranska

zaplatna spoja pasnic

(18.10.2014) http://www.steel-

connections.com/lmc_bspl.html

35

28

Prirobični vijačni spoj:a) levo: dveh nosilcev različnih višinb) nosilca in stebraV obeh primerih lepo vidna rebra, ki odločilno povečujejo togost spojev(18.10.2014) http://www.buildmagazine.org.nz/articles/show/steely-performers/

28

Prostorski vijačni spoj stebra in dveh nosilceva) upogibno togi spojb) členkasto delujoč spoj

(18.10.2014) http://www.scnz.org/magazine/wp-

content/uploads/2009/11/Picture-4-Sliding-hinge-joints-compressed.JPGl


KKTS - LASOK

Documents

Pred NK 1 Uvod v NSK in Vijacni spojilab.fs.uni-lj.si/.../NK_1_Uvod_v_NSK_in_Vijacni_spoji.pdf · 2014. 10. 30. · Izmeri se modul žilavosti in ne energije. Meri se za zlom (krivljenje)