Konstrukcje stalowe: innowacyjne gatunki stali

2009-02-25 17:08

Inwestorzy zainteresowani są głównie obniżaniem kosztów inwestycji oraz optymalizacją kosztów działalności. Zwracają przy tym uwagę na uzyskanie jak największej trwałości obiektu oraz możliwość jego elastycznego wykorzystania. Dobrze temu służą nowoczesne konstrukcje stalowe.

Hearst Tower. NYC — Autor: ArcelorMittal © Chuck Choi - Architect: Foster & Partners - Hearst Tower, NYC

Autor: ArcelorMittal ArcelorMittal Photo Library - Architect: Dominique Perrault - Velodrome, Berlin

Wszystkie te wymagania spełnia konstrukcja stalowa z kształtowników gorącowalcowanych. Cechuje ją niski ciężar, szybki czas budowy oraz wysoka jakość, funkcjonalność i estetyka.

Stal spełnia także wymagania związane z ochroną środowiska. Może być wielokrotnie poddawana recyklingowi, a elektryczna technologia wytopu stali umożliwia znaczną redukcję hałasu i ograniczenie emisji CO₂. Pozwala na zmniejszenie zużycia wody i energii.

Rozwijając produkcję stali HISTAR^®, fimie ArcelorMittal udało się opracować stal konstrukcyjną o wysokiej wytrzymałości, doskonałej twardości w niskich temperaturach oraz wyjątkowej spawalności - materiał jest nieporównywalny z dotychczas stosowanymi. To osiągnięcie stało się możliwe dzięki zastosowaniu innowacyjnego procesu schładzania i samoulepszania opracowanego przez ArcelorMittal w kooperacji z Centre de Recherches Métallurgiques in Liège.

Proces schładzania i samoulepszania pozwala na wyprodukowanie ekonomicznych wysokowytrzymałościowych gatunków stali, które są w pełni zgodne z normami europejskimi. Dwuteowniki gorącowalcowane HISTAR^® umożliwiają budowanie innowacyjnych i konkurencyjnych konstrukcji. Projektanci mogą wykorzystywać zalety stali HISTAR^® przy projektowaniu słupów w budynkach wysokościowych, kratownic o dużych rozpiętościach i w zastosowaniach "offshore". Nowe gatunki stali są zalecane także do wznoszenia budynków w strefach zagrożonych sejsmicznie.

Stalą HISTAR^®, firma ArcelorMittal zaspokaja potrzeby projektantów na lekkie i ekonomiczne konstrukcje, które zarazem spełniają kryteria bezpieczeństwa i trwałości.

Właściwości stali HISTAR^®

Jest to gatunek stali konstrukcyjnej niskostopowej łączącej wysoką wytrzymałość, dobrą udarność z doskonałą spawalnością. Gatunki HISTAR^® są dostępne z minimalną granicą plastycznościi 355 lub 460 MPa.

Przy porównaniu ze standardowymi gatunkami stali konstrukcyjnych, HISTAR^® wyróżnia się polepszonymi gwarantowanymi własnościami mechanicznymi dla całego zakresu grubości (rys.1). Aby jak najlepiej dopasować się do różnych zastosowań, gatunki HISTAR^® są dostępne z gwarantowaną ciągliwością, zarówno w temperaturze -20°C jak i przy -50°C.

Stale HISTAR^® są dostarczane w stanie walcowanym termomechanicznie i są zgodne z wymaganiami normy europejskiej EN 10113-3:1993 dla spawalnych drobnoziarnistych stali konstrukcyjnych oraz EN 10225:2001 dla stali konstrukcyjnych spawalnych “offshore”.

Spełniają także wymagania norm narodowych, takich jak: ASTM A 913-02 i JIS G3106:1995. W tabeli 1 porównano wytrzymałość na rozciąganie stali HISTAR^® 355 i HISTAR^® 460 z wymaganiami dla stali konstrukcyjnych.

Tabela 1. Porównanie gatunków HISTAR^®
HISTAR^® granica plastyczności [MPa]	Normy
	Europejskie					Poprzednie
	EN 10025-4:2004	EN 10025-2: 2004	EN 10225: 2001	ASTM A913-07	JIS G 3106: 2004	NF A 35-504 NF A 36-201	NF A 35-501	DIN 17102	DIN 17100	BS 4360
355	S 355	S 355	S 355	GR 50	SM490B/C/YB	E 355	E36	St E355	St 52-3	50 D
460	S 460	S 450	S 460	GR 65	SM 570	E 460	E36	St E460	St 52-3	55 C

Gatunki HISTAR^®są zgodne z wymaganiami Eurokodów do projektowania konstrukcji stalowych oraz konstrukcji zespolonych stalowo-betonowych. Mają:

polepszone własności plastyczne na wskroś grubości w odniesieniu do wytrzymałości na zrywanie,
własności udarnościowe w poprzecznym kierunku,
maksymalny stosunek wartości granicy plastyczności do wytrzymałości na rozciąganie.

Na rynku dostępne są następujące gatunki stali HISTAR^® :

Przeznaczone do ogólnego budownictwa:
HISTAR^® 355 spełniające wymagania S355 M–EN 10113-3:1993
HISTAR^® 355 L spełniające wymagania S355 ML–EN 10113-3:1993
HISTAR^® 460 spełniające wymagania S460 M–EN 10113-3:1993
HISTAR^® 460 L spełniające wymagania S460 ML–EN 10113-3:1993

Do zastosowań "offshore":
HISTAR^®355 TZ OS spełniające wymagania S355 G11+M–EN 10225:2001
HISTAR^® 355 TZK OS spełniające wymagania S355 G12+M–EN 10225:2001
HISTAR^® 460 TZ OS spełniające wymagania S460 G3+M–EN 10225:2001
HISTAR^® 460 TZK OS spełniające wymagania S460 G4+M–EN 10225:2001

Rys.1 Minimalne granice plastyczności gatunków HISTAR^® oraz gatunków według EN 10113-3:1993 w zależności od grubości

Granice plastyczności stali HISTAR — Autor: ArcelorMittal

Skład chemiczny i własności mechaniczne

Skład chemiczny oraz własności mechaniczne gatunków HISTAR^® w odniesieniu do gatunków konstrukcyjnych ogólnego stosowania zostały podane w tabeli 2 oraz 3.

Tabela 2. Skład chemiczny gatunków HISTAR^® przeznaczonych do ogólnego stosowania
Gatunki	Analiza wytopowa [%]
	C maks.	Mn maks.	Si ⁽³⁾ maks.	P maks.	S maks.	Al ⁽²⁾ maks.	Nb maks.	Ti maks.	V maks.	CEV⁽¹⁾ maks. Nominalna grubość[mm]
	C maks.	Mn maks.	Si ⁽³⁾ maks.	P maks.	S maks.	Al ⁽²⁾ maks.	Nb maks.	Ti maks.	V maks.	≤63	>63 ≤ 125
HISTAR^®355	0,12	1,60	0,30	0,035	0,030	0,02	0,05	0,050	0,10	0,39	0,39
HISTAR^®355 L	0,12	1,60	0,30	0,030	0,025	0,02	0,05	0,050	0,10	0,39	—
HISTAR^®460	0,12	1,70	0,30	0,035	0,030	0,02	0,05	0,050	0,12	0,41	0,43
HISTAR^®460 L	0,12	1,70	0,30	0,030	0,025	0,02	0,05	0,050	0,12	0,41	—

(1) CEV = C + Mn/6 = (Cr + Mo + V)/5 + (Cu + Ni)/15
(2) Jeśli pierwiastki wiążące azot są obecne w wystarczającej ilości, wymaganie min. aluminium nie stosuje się
(3) po uzgodnieniu Si: 0,15-0,25%

Tabela 3. Mechaniczne własności gatunków HISTAR^® do ogólnego stosowania
Gatunki	Wytrzymałość na rozciąganie				Testy udarności próbek V wg Charpy'ego
	Min. granica plastyczności R_e [MPa]		Wytrzymałość na rozciaganie R_m[MPa]	Min. wydłużenie A L_o= 5,65√S_o[%]	Temperatura [^oC]	Min. średnia abs. energia (1) [J]
	Nominalna grubość [mm]
	≤63	>63 ≤125
HISTAR^® 355	355	355	470—610	22	0	47
					-20	40
HISTAR^® 355L	355	—	470—610	22	-20	47
					-50	27
HISTAR^® 460	460	450	550—720	17	0	47
					-20	40
HISTAR^®460 L	460	—	550—720	17	-20	47
					-50	27

(1) Średnia wartość z trzech próbek, żadna z pojedynczych wartości nie nie jest niższa niż 70% gwarantowanej średniej wartości zgodnie z EN 10113:1993

Typy kształtowników

Gatunki HISTAR^® są dostępne dla kształtowników HEB 260 oraz IPE 500 i większych. Dostępne są również odpowiednie kształtowniki według ASTM A6 oraz BS 4.
Maksymalna grubość półki jest następująca:

125 mm dla HISTAR^®355 / 460,
63 mm dla HISTAR^® 355 L / 460 L,
40 mm dla gatunków HISTAR^® Offshore,
> 40 mm - grubość półki możliwa po uzgodnieniu.

Gatunki wysokowytrzymałościowe HISTAR^® w porównaniu do konwencjonalnych gatunków stali umożliwiają redukcję ciężaru i kosztów materiałowych konstrukcji stalowej oraz pozwalają na obniżenie czasu spawania i montażu.

Rys 2. Ekonomika zastosowania gatunków HISTAR^® w słupach

Zalecenia przy obróbce

Jeśli chodzi o obróbkę skrawaniem, gatunki HISTAR^®355/460 mogą być obrabiane w tych samych warunkach, jak inne stale o tym samym poziomie wytrzymałości na rozciąganie. Zużycie narzędzi przy wierceniu i cięciu belek gatunków HISTAR^®jest podobne do zużycia w wypadku belek ze stali konstrukcyjnej o tym samym poziomie wytrzymałości.

Belki HISTAR^® 355/460 mogą być cięte za pomocą palnika z wykorzystaniem technologii normalnie stosowanej do stali konstrukcyjnej o tym samym poziome wytrzymałości. Żadne wstępne podgrzewanie nie jest potrzebne, gdy cięcie gazowe jest wykonywane w temperaturze otoczenia > 0° C.

Stal HISTAR^® 355 oraz 460, podobnie jak konwencjonalne gatunki stali konstrukcyjnej, może być łączona za pomocą spawania. W procedurze spawania powinny zostać uwzględnione warunki spawania dla stali konwencjonalnej. Gatunki stali HISTAR^®oferują dobrą spawalność, zarówno w procesach ręcznych jak i automatycznych, przy założeniu, że zostaną zachowane ogólne zasady spawania. Spawanie łukiem osłoniętym, elektrogazowe, elektrodą rdzeniową, oraz łukiem krytym pod topnikiem mogą być z powodzeniem wykorzystywane przy spawaniu HISTAR^®355/460. Przed spawaniem z powierzchni rowka musi być tylko usunięta zgorzelina (poprzez szlifowanie).

Dzięki niskiemu równoważnikowi węgla stali z gatunków HISTAR^® (rys.3), podgrzewanie zazwyczaj nie jest potrzebne jeśli tylko:

doprowadzona energia mieści się w przedziale 10-60 KJ/cm,
temperatura produktu jest >0° C,
używane są elektrody z niską zawartością wodoru oraz niskim równoważnikiem węgla.

Rys. 3 Temperatury podgrzania konwencjonalnej stali konstukcyjnej oraz gatunków HISTAR^® (wg EN 1011- 2:2001/metoda A)

Temperatury podgrzania stali HISTAR — Autor: ArcelorMittal

Zalecenia do podgrzewania stali drobnoziarnistych są podane w normie EN 1011-2:2001 w zależności od równoważnika węgla, grubości produktu, zawartości wodoru w materiałach pomocniczych oraz ilości doprowadzonego ciepła. Zalecenia te stosuje się w normalnym procesie wytwórczym i spawaniu w temperaturach dodatnich.
Według tych zaleceń oraz według próbnych spawań gatunków HISTAR^® 355 oraz HISTAR^® 460 nie musi być stosowane żadne podgrzewanie jeśli tylko:

HISTAR^® 355: zawartość rozpuszczalnego wodoru w materiałach pomocniczych <10 ml/100g oraz ilość ciepła doprowadzonego >10 KJ/cm,
HISTAR^® 460: zawartość rozpuszczalnego wodoru w materiałach pomocniczych <5 ml/100g oraz ilość ciepła doprowadzonego >10 KJ/cm.

Próby i wykończenia

Dostępne są:

Próby mechaniczne. Dla gatunków HISTAR^®, próby rozciągania i próby udarnościowe według Charpy’ego dla próbek V są wykonywane zgodnie z EN 10113:1993. Dodatkowe próby są możliwe po uzgodnieniu.
Próby ultradźwiękowe. Są przeprowadzane po uzgodnieniu. Procedura przeprowadzania tej próby musi zostać uzgodniona pomiędzy zamawiającym a wytwórcą. W przypadku zamówienia zgodnie z EN 10164:1993, próby ultradźwiękowe są wykonywanie zgodnie z EN 10306:2001 klasa 2.3.
Certyfikaty. Typ certyfikatu powinień być określony w trakcie składania zamówienia.

Autor: ArcelorMittal © Skidmore, Owings & Merrill LLP / dbox Studio Freedom Tower, Nowy Jork, na miejscu poprzedniego World Trade Center, HISTAR® S460

Belki w gatunku stali HISTAR^® są dostarczane w standardowym stanie po walcowaniu z jakością powierzchni zgodną z EN 10163-3:1991, klasa C, podklasa 1. Inne warunki są możliwe do uzgodnienia.
Materiał może być dostarczony jako ośrutowany, pomalowany lub piaskowany (procedury muszą być uzgodnione pomiędzy zamawiającym a wytwórcą).

Jako uzupełnienie możliwości technicznych firma ArcelorMittal oferuje urządzenia wykończeniowe, a także szeroki zakres usług takich jak:

wiercenie,
cięcie palnikowe,
otworowanie,
zgrzewanie,
odkształcanie,
wyginanie,
prostowanie,
cięcie na zimno na dokładny wymiar,
montaż i spawanie kołków,
czyszczenie ciśnieniowe i piaskowe,
obróbka nawierzchni.

Wsparcie budowlane i konstrukcyjne

ArcelorMittal dysponuje zespołem specjalistów w zakresie różnych produktów konstrukcyjnych: oddział Building and Construction Support (BCS).
Pełny zakres produktów i rozwiązań przeznaczonych dla wszystkich form budowlanych: konstrukcji, fasad, zadaszeń itp. jest dostępny na stronie: www.constructalia.com

Informacje techniczne, tabele, wykresy i zdjęcia pochodzą z publikacji firmy ArcelorMittal Long Carbon Europe „HISTAR® Innowacyjne gatunki stali przeznaczone do ekonomicznych konstrukcji stalowych”.

Więcej o stali HISTAR^®: http://www.constructalia.com/pl_PL/publications/publicaciones_detalle.jsp?idProd=3431940&idCat=1397533

Barbara Kawecka-Zygadło