ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΙΑΣ ΤΜΗΜΑ ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Μεταλλικές Κατασκευές Ι Διδάσκων Δημ. Σοφιανόπουλος Αναπληρωτής Καθηγητής Μαρία Ντίνα, Πολ. Μηχ. MSc, ΥΔ Π.Θ. Τηλ : ,

Περιεχόμενα μαθήματος Εισαγωγή – Πεδίο Εφαρμογής Χαλύβδινων ΚατασκευώνΕισαγωγή – Πεδίο Εφαρμογής Χαλύβδινων Κατασκευών Μόρφωση Μονώροφων Βιομηχανικών ΥποστέγωνΜόρφωση Μονώροφων Βιομηχανικών Υποστέγων Θεσμικό Πλαίσιο μελέτης και εκτέλεσης έργων από Δομικό ΧάλυβαΘεσμικό Πλαίσιο μελέτης και εκτέλεσης έργων από Δομικό Χάλυβα Απλές διατεμνόμενες κοχλιώσειςΑπλές διατεμνόμενες κοχλιώσεις Μέλη υπό εγκάρσια φορτία και παραδείγματα μελών στις κατασκευές από χάλυβαΜέλη υπό εγκάρσια φορτία και παραδείγματα μελών στις κατασκευές από χάλυβα Τοπικός Λυγισμός-Κατάταξη των διατομών σύμφωνα με το ΕΚ3.Τοπικός Λυγισμός-Κατάταξη των διατομών σύμφωνα με το ΕΚ3. Μέλη υπό σύνθετη εντατική κατάστασηΜέλη υπό σύνθετη εντατική κατάσταση Μέλη υπό αξονική θλίψη- ΛυγισμόςΜέλη υπό αξονική θλίψη- Λυγισμός Μέλη υπό θλίψη και κάμψηΜέλη υπό θλίψη και κάμψη Συγκολλητές συνδέσειςΣυγκολλητές συνδέσεις Συνδέσεις με πείρουςΣυνδέσεις με πείρους

Εισαγωγή – Πεδίο Εφαρμογών Μονώροφα βιομηχανικά και αποθηκευτικά κτίριαΜονώροφα βιομηχανικά και αποθηκευτικά κτίρια Πολυώροφα κτίριαΠολυώροφα κτίρια Στέγαστρα αθλητικών εγκαταστάσεωνΣτέγαστρα αθλητικών εγκαταστάσεων ΓέφυρεςΓέφυρες ΣήραγγεςΣήραγγες Ιστοί τηλεπικοινωνιών και μεταφοράς ενέργειαςΙστοί τηλεπικοινωνιών και μεταφοράς ενέργειας ΑνεμογεννήτριεςΑνεμογεννήτριες Βιομηχανικές εγκαταστάσειςΒιομηχανικές εγκαταστάσεις ΣιλόΣιλό Υπόγειοι αγωγοίΥπόγειοι αγωγοί Σταθμοί διοδίωνΣταθμοί διοδίων Βιομηχανικά ράφιαΒιομηχανικά ράφια ΚατοικίεςΚατοικίες

Δομικός Χάλυβας Κράμα ενός μεταλλικού στοιχείου, του σιδήρου (Fe) και ενός μη μεταλλικού στοιχείου, του άνθρακα (C). Άλλα συστατικά: Άνθρακας % Πυρίτιο & Μαγγάνιο 1.50% Νικέλιο 0.30% Χρώμιο 0.30% Χαλκός 0.30%

Θερμή (εξ)έλαση Θερμή (εξ) έλαση Θερμή (εξ) έλαση ονομάζεται η διαδικασία κατά την οποία γίνεται μορφοποίηση του μετάλλου με κατάλληλες διατάξεις, όταν αυτό έχει πολύ υψηλές θερμοκρασίες. χύτευσης κλιβάνους στερεοποιήσεως Αυτό επιτυγχάνεται μέσω της χύτευσης του μετάλλου, η οποία γίνεται σε κλιβάνους (το προϊόν της είναι ρευστό μέταλλο) και της εν συνεχεία στερεοποιήσεως του με διάφορες μεθόδους.

Μηχανικές ιδιότητες δομικού χάλυβα

Οι μηχανικές ιδιότητες και βασικά χαρακτηριστικά ενός τυπικού δομικού χάλυβα, που ενδιαφέρουν το δομοστατικό σχεδιασμό είναι : 1.Όριο αναλογίας (limit of proportionality) σ p H σχέση σ – ε είναι γραμμική μέχρι το όριο αναλογίας, με κλίση ίση με το μέτρο ελαστικότητας Ε του Young (το οποίο θεωρείται γενικά ίδιο για όλους τους χάλυβες). Άρα, μέχρι τη τάση αναλογίας σp το δοκίμιο συμπεριφέρεται τελείως ελαστικά (ισχύει ο νόμος του Hooke). Επειδή δεν είναι σαφής ο ορισμός του ορίου αναλογίας καθορίζεται συμβατικά ως σp η τιμή εκείνη της τάσης, που αντιστοιχεί σε επιμήκυνση 0.01% (ή 0.005% για μετρήσεις ακρίβειας). Το όριο αναλογίας δεν έχει πρακτικό ενδιαφέρον εκτός από ειδικές περιπτώσεις.

2.Όριο διαρροής (yield point) To διάγραμμα σ – ε πάνω από το όριο αναλογίας δεν είναι ευθύγραμμο αλλά καμπύλο, οπότε η παραμόρφωση δεν είναι πλέον ελαστική αλλά πλαστική (plastic strain). Το όριο διαρροής ορίζεται ως εκείνο το σημείο στο διάγραμμα σ – ε όπου για πρώτη φορά η τάση παρουσιάζει αξιοσημείωτη αύξηση, ενώ η αντίστοιχη ανηγμένη μήκυνση παραμένει σταθερή. Αυτό φαίνεται και από την ύπαρξη του οριζόντιου τμήματος του διαγράμματος σ – ε. Η ανηγμένη μήκυνση (που αντιστοιχεί στο τέλος της ζώνης διαρροής, δηλ. της πλαστικής περιοχής) φτάνει περίπου το 1.5% του αρχικού μήκους του δοκιμίου, ενώ η αντίστοιχη πλαστική μήκυνση είναι περίπου 15 φορές μεγαλύτερη της μέγιστης ελαστικής μήκυνσης. Σε μερικές περιπτώσεις δοκιμίων εμφανίζεται άνω και κάτω όριο διαρροής, φαινόμενο που οφείλεται στη τεχνική της δοκιμής (ταχύτητα φόρτισης, μορφή δοκιμίου) και στις συνθήκες του δοκιμίου (π.χ. παραμένουσες τάσεις). Πάντως, η τάση διαρροής πρέπει να καθορίζεται από το οριζόντιο τμήμα του διαγράμματος, το οποίο αποτελεί σταθερό και σαφές χαρακτηριστικό του υλικού.

3.Αντοχή διαρροής (yielding strength) – τάση διαρροής σy Aντιστοιχούν στο όριο διαρροής ως άνω. 4.Αντοχή εφελκυσμού (tensile strength) Μετά το πέρας της πλαστικής ζώνης, το δοκίμιο εμφανίζει αντίσταση με την αύξηση της φόρτισης, και αρχίζει η λεγόμενη περιοχή κράτυνσης (strain hardening range). H κλίση της καμπύλης σ – ε στη περιοχή αυτή, που συμβολίζεται ως Ε st, είναι αρκετά μικρότερη από αυτή της ελαστικής περιοχής και μεταβάλλεται συναρτήσει της ποιότητας του χάλυβα. Το φαινόμενο της κράτυνσης μέχρι το δοκίμιο να φτάσει τη μέγιστη ή οριακή αντοχή (limit or ultimate strength), η οποία καθορίζει την αντοχή σε εφελκυσμό του δοκιμίου. Αμέσως μετά η καμπύλη σ – ε αρχίζει να κατέρχεται (μείωση τάσεων), ενώ μια ζώνη κοντά στο μέσο του δοκιμίου αρχίζει να στενεύει σχηματίζοντας λαιμό (neck). Ακολουθεί αστοχία (failure) που σχετίζεται με θραύση. Η συνολική επιμήκυνση του δοκιμίου μέχρι τη θραύση φτάνει περίπου το 20% του αρχικού του μήκους. Πάντως, οι πραγματικές τάσεις σ – αν ληφθεί υπόψη η νέα διατομή μετά τη στένωση – είναι μεγαλύτερες από αυτές που έχουν υπολογιστεί (και καταγραφεί στο διάγραμμα σ – ε) με βάση την αρχική διατομή.

5.Ολκιμότητα (ductility) H ολκιμότητα μαζί με την αντοχή είναι οι πλέον σημαντικές ιδιότητες του δομικού χάλυβα. Ολκιμότητα είναι η ικανότητα ενός υλικού να υπόκειται σε μεγάλες πλαστικές (μόνιμες) παραμορφώσεις, οι οποίες εμφανίζονται μετά το όριο αναλογίας μέχρι τη θραύση. Η μέτρηση της ολκιμότητας πραγματοποιείται μέσω του πειράματος εφελκυσμού με το καθορισμό του % ποσοστού μήκυνσης του δοκιμίου (λαμβάνοντας υπόψη τα εμβαδά αρχικής και τελικής διατομής). Κατασκευές από δομικό χάλυβα, αντίθετα από κατασκευές από ψαθυρά υλικά (που θραύονται απότομα χωρίς οποιαδήποτε προειδοποίηση) όταν υπερφορτιστούν μπορούν βαθμιαία να υποβληθούν σε μεγάλες (μόνιμες μη καταστροφικές) παραμορφώσεις. Χάρη στην ολκιμότητα, είναι δυνατή η ανακατανομή τάσεων σε θέσεις, όπου λαμβάνει χώρα τοπική διαρροή λόγω υψηλών τάσεων. Επίσης, χάρη στην ολκιμότητα αμβλύνονται ή εξουδετερώνονται λανθασμένες παραδοχές κατά την ανάλυση. Η ολκιμότητα παρέχει τη δυνατότητα και αποτελεί τη βάση του πλαστικού σχεδιασμού των κατασκευών.

6.Μέτρο ελαστικότητας (modulus of elasticity) Ο λόγος της τάσης προς την ανηγμένη μήκυνση του αρχικού ευθύγραμμου τμήματος του διαγράμματος σ – ε καλείται μέτρο ελαστικότητας (μέτρο του Young) και συμβολίζεται με Ε. Η τιμή του για όλους τους χάλυβες κυμαίνεται μεταξύ 2 και 2.1x105 Ν/mm2. To E ελαττώνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας με ρυθμό περίπου 4500 MPa ανά 400 C μέχρι τη θερμοκρασία των 4300 C, και πέραν αυτής η μείωση είναι ταχύτατη. 7.Μέτρο διατμήσεως (shear modulus) To μέτρο διατμήσεως G είναι ο λόγος της διατμητικής τάσης προς τη διατμητική (ή γωνιακή) παραμόρφωση (G=τ/γ), και κατά τα γνωστά ισούται με: όπου ν ο λόγος του Poisson, o οποίος για μεν την ελαστική περιοχή ισούται κατά προσέγγιση με 0.30, για δε τη πλαστική περιοχή με 0.50.

8.Επανάταξη (resilience) και ανθεκτικότητα (toughness) Oι ανωτέρω ιδιότητες εκτιμώνται από το διάγραμμα σ-ε του πειράματος εφελκυσμού και δείχνουν την ικανότητα ενός μετάλλου να απορροφά μηχανική ενέργεια. H επανάταξη είναι το ποσό της ελαστικής ενέργειας που μπορεί να απορροφηθεί από τη μονάδα όγκου του υλικού λόγω εφελκυστικής φόρτισης και ισούται με το εμβαδόν κάτω από το διάγραμμα σ – ε μέχρι το σημείο αναλογίας ή πρακτικά μέχρι το σημείο διαρροής (εφόσον δεν υπάρχουν παραμένουσες τάσεις). Αντίστοιχα, η ανθεκτικότητα συνδέεται με τη συνολική ενέργεια, ελαστική και ανελαστική, που μπορεί να απορροφηθεί από τη μονάδα όγκου του υλικού, και ισούται με το εμβαδόν κάτω από το διάγραμμα σ – ε μέχρι του σημείου θραύσης. Επειδή η εντατική κατάσταση του μονοαξονικού εφελκυσμού δεν εμφανίζεται συχνά στις πραγματικές κατασκευές, συνήθως χρησιμοποιείται ένας περισσότερο πρακτικός δείκτης εκτίμησης της ανθεκτικότητας. Αυτός βασίζεται σε μια πιο σύνθετη εντατική κατάσταση (διαξονική ή τριαξονική), η οποία αναπτύσσεται στη ρίζα μιας εγκοπής (notch). Πρόκειται για την ανθεκτικότητα εγκοπής (notch toughness), δηλαδή την ικανότητα της να προβάλλει αντίσταση στη δημιουργία και διάδοση ρωγμής στη ρίζα (βάση) της. Αυτή μετρείται συνήθως με τη βοήθεια πειραματικού δοκιμίου με αιχμή εγκοπή σχήματος V.

9.Ικανότητα συγκόλλησης (weldability), κατεργασίας (machinability) και μορφοποίησης (formability) Η πρώτη είναι η ικανότητα του υλικού να συγκολλάται χωρίς σοβαρές ζημιογόνες επιπτώσεις στη μεταβολή των μηχανικών του ιδιοτήτων, και μεταβάλλεται ανάλογα με τη ποιότητα του χάλυβα αλλά και την τεχνική συγκόλλησης. H δεύτερη δείχνει την ευκολία με την οποία ένα υλικό μπορεί να πριονιστεί, να διατρυθεί ή να κοπεί χωρίς ουσιαστική μεταβολή των μηχανικών ιδιοτήτων του. Η τρίτη δείχνει την ευχέρεια ενός υλικού να κάμπτεται και να συμπιέζεται, ώστε να λαμβάνει διάφορες μορφές χωρίς να θραύεται ή να υπόκειται σε οποιαδήποτε βλάβη. 10.Ανθεκτικότητα και αντίσταση σε διάβρωση (durability and corrosion resistance) Η ικανότητα ενός υλικού να προβάλλει αντίσταση στη δυσμενή επίδραση των συνθηκών του περιβάλλοντος καθορίζει την ανθεκτικότητα και την αντίσταση αυτού σε διάβρωση. Οι σιδηρές κατασκευές – αν δεν προστατευτούν κατάλληλα – κινδυνεύουν από σκωρίαση (οξείδωση από το οξυγόνο του ατμοσφαιρικού αέρα), η οποία επιτείνεται παρουσία υγρασίας, αναθυμιάσεων (θείου, φωσφόρου, ιωδίου) κλπ. Η προστασία αυτή μπορεί να επιτευχθεί με διάφορους τρόπους (επίχριση, προσμίξεις Cu, Ni, C2, επιμετάλλωση κλπ).

11.Ερπυσμός (creep) – Χαλάρωση (relaxation) Ερπυσμός είναι η βαθμιαία ροή ή μεταβολή διαστάσεων λόγω σταθερής τάσης, που διαρκεί επί μακρόν, ενώ χαλάρωση είναι η ελάττωση του φορτίου ή της τάσης λόγω σταθερής παραμόρφωσης, που διαρκεί μεγάλο χρονικό διάστημα. Δεν ενδιαφέρουν τις σιδηρές κατασκευές παρά μόνο σε περιπτώσεις υψηλών θερμοκρασιών ή υψηλών τάσεων ή συνδυασμού και των δύο. Πάντως, το φαινόμενο της χαλάρωσης μπορεί να εμφανιστεί σε συρματόσχοινα ακόμα και σε συνθήκες περιβάλλοντος. Oι παραπάνω ιδιότητες απορρέουν από το πείραμα στατικού αξονικού εφελκυσμού (coupon test) ράβδου κυκλικής διατομής διαμέτρου συνήθως 1.5cm με πεπλατυσμένα άκρα, και μπορούν να εμφανιστούν μόνο σε μέλη που υπόκεινται σε μονοαξονική ένταση εφελκυσμού. Σε πραγματικές κατασκευές όμως, Η ΔΙΑΡΡΟΗ δεν είναι μια σαφώς καθορισμένη κατάσταση, όπως στο παραπάνω πείραμα, και πρέπει συνεπώς να οριστεί η έννοια της για περιπτώσεις πολυαξονικών καταστάσεων τάσεων Σε πραγματικές κατασκευές όμως, Η ΔΙΑΡΡΟΗ δεν είναι μια σαφώς καθορισμένη κατάσταση, όπως στο παραπάνω πείραμα, και πρέπει συνεπώς να οριστεί η έννοια της για περιπτώσεις πολυαξονικών καταστάσεων τάσεων.

Ποιότητες δομικού χάλυβα της Ευρωπαϊκής Βιομηχανίας E (MPa) fy (MPa)fu (MPa) εu(%) S S ,5 S S S

Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα του δομικού χάλυβα Πλεονεκτήματα χάλυβα Μεγάλη αντοχή και δυσκαμψία ως προς το βάρος Μεγάλη αντοχή και δυσκαμψία ως προς το βάρος Μείωση των ίδιων βαρών της κατασκευής Μείωση των ίδιων βαρών της κατασκευής Δυνατότητα ζεύξης μεγάλων ανοιγμάτων Δυνατότητα ζεύξης μεγάλων ανοιγμάτων Απαίτηση μικρότερης και οικονομικότερης θεμελίωσης Απαίτηση μικρότερης και οικονομικότερης θεμελίωσης Ολκιμότητα- καλή αντισεισμική συμπεριφορά Ολκιμότητα- καλή αντισεισμική συμπεριφορά Ταχύτητα ανέγερσης Ταχύτητα ανέγερσης Τυποποίηση παραγωγής – ποιοτικός έλεγχος – εργασία Τυποποίηση παραγωγής – ποιοτικός έλεγχος – εργασία εκτός εργοταξίου εκτός εργοταξίου Δυνατότητα μόρφωσης επιθυμητών διατομών Δυνατότητα μόρφωσης επιθυμητών διατομών Μεγάλο πλήθος διατομών που διατίθενται στην αγορά Μεγάλο πλήθος διατομών που διατίθενται στην αγορά Δυνατότητα επαναχρησιμοποίησης υλικού Δυνατότητα επαναχρησιμοποίησης υλικού Δυνατότητα επέκτασης και τροποποίησης υφιστάμενων Δυνατότητα επέκτασης και τροποποίησης υφιστάμενων κατασκευών κατασκευών Εύκολος εντοπισμός και αποκατάσταση βλαβών Εύκολος εντοπισμός και αποκατάσταση βλαβών

Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα του δομικού χάλυβα Μειονεκτήματα χάλυβα Κόστος πρώτης ύλης Κόστος πρώτης ύλης Ανάγκη πυροπροστασίας Ανάγκη πυροπροστασίας Ανάγκη προστασίας από διάβρωση Ανάγκη προστασίας από διάβρωση Ανάγκη συντήρησης Ανάγκη συντήρησης Ειδικός υπολογισμός συνδέσεων Ειδικός υπολογισμός συνδέσεων Λιγότερη τεχνογνωσία στην Ελλάδα Λιγότερη τεχνογνωσία στην Ελλάδα

Έλεγχοι Επάρκειας Αστοχία Λειτουργικότητα

Ορθογωνική διατομή Αντοχή Λειτουργικότητα Πρόβλημα : Καθώς το L μεγαλώνει, αναγκαζόμαστε να αυξήσουμε τα b, h για να μεγαλώσει το αριστερό μέρος των ανισοτήτων με αποτέλεσμα το ίδιο βάρος να γίνεται σημαντικό ποσοστό του συνολικού φορτίου

Βελτιστοποίηση διατομής Στόχος: Μεγάλες τιμές I,W σε σχέση με το εμβαδόν της διατομής A Λύση: Απομάκρυνση υλικού από τον ουδέτερο άξονα

Βελτιστοποίηση διατομής Απλή κάμψη: Διατομές διπλού ταυ Διπλή κάμψη: Κοίλες διατομές

Κύριοι τύποι διατομών διπλού ταυ IPE υψίκορμες HEA HEB πλατύπελμες

Ισχυρός και ασθενής άξονας

Κάμψη περί τον ισχυρό άξονα

Κάμψη περί τον ασθενή άξονα