Construcții metalice – Curs 2

3

Domeniul de utilizare al construcțiilor metalice Avantajele importante subliniate pentru această categorie de construcții fac să participe la o multitudine de domenii de realizare a construcțiilor. Sunt astfel recomandate pentru:

- Scheletul de rezistență al construcțiilor industriale - Scheletul de rezistență al construcțiilor civile - Scheletul de rezistență al construcțiilor cu caracter social și cultural, sportive chiar - Structura și scheletul de rezistență al construcțiilor înalte, multietajate - Scheletul de rezistență al turnurilor de radio și televiziune - Scheletul de rezistență al macaralelor de mare capacitate (brațul macaralelor în mod

deosebit) - Construcții de poduri, de cale ferată și șosea - Construcții de poduri rulante - Construcții de fundații sub formă de palplanșe metalice - Structura de rezistență al planșeelor unde legate cu elementele de beton conduc la

construcții mixte, dar cu eficiență deosebită tehnică și chiar economică. Câteva condiții care trebuie să le îndeplinească construcțiile metalice

- Să fie rezistente și să dea siguranță în exploatare dealungul timpului utilizărilor - Să permite un montaj ușor, simplu - Să permită o prefabricare, dacă se poate totală - Să dea posibilitatea utilizării unui personal calificat în domeniu - Să conducă la un consum cât mai redus de material și chiar de manoperă - Să fie cât mai economice, realizabile cu un preț de cost cât mai scăzut

Materiale utilizate în construcții metalice și caracteristicile lor. Noțiuni de metalografie

- Primul material utilizat în acest domeniu al construcțiilor metalice l-a reprezentat fonta, materialul care, datorită caracteristicilor sale improprii, a fost îndepărtat în timp. S-au adus îmbunătățiri materialului, respectiv fontei, obținându-se fonta nodulară. Material cu caracteristici fizico-mecanice superioare dar care și el a durat până în anii 1885-1895

- Al doilea material: fierul. Cunoscut sub denumirea de fier pudlat (oțel pudlat). Material cu capacități elasto-plastice deosebite față de fontă și care a fost utilizat în construcții metalice la începutul secolului XX.

- Un alt material l-a reprezentat tot fierul, cunoscut sub denumirea de fier moale ( oțel moale). Meterial utilizat în acest domeniu al construcțiilor metalice încă din anii 1890, fiind și azi materialul principal prezent în structurile metalice

- De asemenea este cunoscut și apreciat materialul de fier turnat sau oțel turnat, destinat de exemplu obținerii aparatelor de reazem

- Aluminiul și aliajele de aluminiu în mod deosebit au fost materialele cu utilizare frecventă în domeniul construcțiilor metalice de multe ori având și destinația de protecție a oțelului împotriva coroziunii

Fontele ca produse siderurgice și materiale de construcții Aceste fonte sunt materiale obținute prin topirea în cuptoare înalte a minereurilor de fier. Fonta obținută sau fonta îmbunătățită, cunoscută sub fontă nodulară, se caracterizează într-un conținut de carbon mai mare de 1,7%, de multe ori și peste 2%, ajungând până la circa 6% conținut de carbon. Minereurile de fier din care se obține fonta sunt clasificate în funcție de conținutul de fier. În sensul acesta subliniăm următoarele minereuri cu utilizare frecventă și eficientă în obținerea fontelor și implicit oțelurilor:

Construcții metalice – Curs 2

4

- Fe2O4 – magnetită – minereu cu un conținut de fier de circa 75% și care prezintă o culoare neagră în spărtură

- Fe2O3 – hematită – minereu cu un conținut de fier de 65% și care are culoarea roșiatică în spărtură

- 2Fe2O3 3H2O – limonită – cu un oxid de fier hidratat și un conținut de fier de circa 60% și având o culoare cărămizie în spărtură

- FeCO3 – siderită – cu un carbonat de fier și cu un conținut de circa 40% fier și o culoare cenușie în ruptură

Minereurile cu un conținut mai mare de 60% fier sunt considerate minereuri bogate în fier, în timp ce minereurile cu on conținut mai puțin de 60% fier sunt considerate minereuri sărace în fier. Fontele pbținute din cuptoare înalte

- Fonta cenușie, caracterizată prin fragilitate și o comportare slabă la solicitările de întindere și întindere-încovoiere

- Fonta albă, denumită și fonta afânată este materialul din care se obține oțelul. Stă la baza obținerii acestui produs cu utilizare frecventă în domeniul construcțiilor metalice.

- Fonte speciale: sunt caracterizate cu un conținut de carbon mai mare de 2% și cu o utilizare la obținerea de oțeluri speciale

- Zgura de furnal, care se obține tot în urma topiri minereurilor, material care își găsește o utilizare frecventă în construcții, ca de exemplu

o zgura de furnal prin chibluri (?) – material granulat și măcinat, conduce la obținerea fierului, material care în combinație cu cimentul Portland conduce la obținerea cimentului metalurgic

o de asemenea zgura tratată conduce la obținerea ___________ de zgură, aceasta constituind un material ompermeabil de protecție termică a construcțiilor

o de asemenea tot din zgură de furnal, prin prelucrare și tratare se obține zgura expandată, materialul care stă la baza obținerii betoanelor de zgură, caracterizate printr-o greutate redusă și protecție termică de asemenea apreciată.

Caracteristicile fontei utilizată în construcții Se cunosc 4 mărci de fontă a căror utilizare în construcții este influențată de caracteristicile fizico-mecanice și elastice ale fiecărui mărci.

Marca Rezistența la rupere fn [daN/cm2]

Întindere Încovoiere compresiune

Fe 10 1000 - - E = 850 000 daN/cm2 Fe 15 1500 2700÷3400 3000

Fe 20 2000 3300÷4100 4000 E = 1 000 000 daN/cm2 Fe 25 2500 3900÷4000 5000

Coeficientul de dilatare liniară a fontei se notează cu și . Aliajele Fe-C (fier-carbon) Aliajele cu un conținut de carbon mai mic de 1,7% intră în familia oțelurilor. Aliajele cu un conținut de carbon mai mare de 1,7%, chiar 2% intră în categoria fontelor. Aliajul care ne dă oțelul moale, cu o utilizare frecventă în domeniul construcțiilor metalice și care a înlocuit oțelul pudlat, are un conținut de carbon de 0,09÷0,25%. 1) Constituenți chimici care dăunează calităților oțelului:

Construcții metalice – Curs 2

5

a. Sulful: prezent în masa de material topit sub formă de sulfuri de fier, care reduc din proprietățile elasto-plastice ale oțelului. Oțelul devine material fragil, este favorizat fenomenul de coroziune și grăbește fenomenele de îmbătrânire a oțelului.

b. Fosforul: prezința lui în masa de oțel, deși conduce la o creștere a tenacității oțelului, deși asigură o protecție anticorozivă, totuși, chiar în cantități foarte mici (0-1%) oțelurile își pierd din calitățile elasto-plastice ca urmare creșterii tenacității adusă de prezența fosforului.

c. Oxigenul: prezent în masa de oțel sub forma de oxizi de fier. Prezența acestui constituent grăbește fenomenul de oxidare și separare a perticulelor ca urmare a favorizării consistente a fenomenului de coroziune a oțelului. De aceea prezența sa în masa de oțel grăbește, de asemenea, fenomenul de îmbătrânire a oțelului

d. Azotul: care și el aduce mari neajunsuri calităților oțelului, grăbind fenomenul de coroziune, de îmbătrânire, motive pentru care se recomandă ca acest conținut de azot să nu depășească procentul de 0,04

1) Constituenți chimici care favorizează calitățile oțelului: a. Carbonul: definește încă din gazele de obținere a oțelului calitățile acestuia. b. Manganul: prezența sa în masa de oțel este deosebit de util prin faptul că are puterea de a

absorbi vaporii de sulf, transformânduse în sulfură de mangan. De asemenea acest constituent mărește capacitatea de rezistență a oțelului și mai ales a oțelului unde se pune problema de uzură în timp (de exemplu un conținut de mangan în limita normelor este destinat cu prioritate pentru obținerea șinelor de cale ferată și mai ales a aparatelor de cale ferată). Se întrebuințează și e recomandat ținându-se cont de rezistența la uzură, la concasarea pietrei sparte sau chiblurii și alte produse care utilizează materiale de construcții.

c. Nichelul, care este prezent în masa de oțel, mărește rezistența la coroziune a acestuia. De asemenea nichelul are o calitate apreciabilă în cea ce privește un coeficient de dilatare redus. De exemplu oțelul cu un conținut de nichel de 2,6÷3,8% conduce la obțienerea materialului denumit invar.

d. Siliciul – oțelurile cu un conținut de siliciu sunt rezistente, au o capacitate portantă mare dar sunt greu de prelucrat, mai ales de sudat. Nu se sudează oțelul-siliciu.

e. Cuprul – care prezent în masa de oțel îmbunătățește calitatea elasto-plastică al acestuia și mărește capacitatea de protecie împotriva coroziunii

f. Cromul, bonitelul, wolframul, vanadiul – prezenți în masa de oțel destinat în mod special obținerii diferitelor scule pentru construcții sau la toate sistemele și aparatele necesare tăierii materialelor metalice, beton sau alte pietre artificiale sau naturale.

Defectele oțelurilor turnate Se apreciază ca defect a oțelurilor turnate fenomenul de segregare care are loc în masa de oțel în urma turnării acestuia în vase sau lingouri fără protecție termică. O tehnologie de felul acesta de turnare a oțelului duce la o distrugere a cristalelor în masa de oțel ca în figura următoare:

Sistemul de turnare a oțelurilor în vase fără o protecție termică corespunzătoare conduce la apariția primului defect important al oțelului turnat și anume retasura. În timp în urma răcirii întregii masei a oțelului turnat în jurul retasurii se dezvoltă microretasuri care dăunează și ele calităților oțelului.

Construcții metalice – Curs 2

6

Cauzele aparițiilor acestor defecte (retasuri și microretasuri) sunt datorate unei turnări în lingou în timp scurt dar și lipsei de protecție termică a lingoului respectiv. Tot în timpul turnării oțelurilor se dezvoltă în masa de oțel și alte defecte (de exemplu suflurile sunt zone în care în cavernele masei de oțel se depozitează o serie de gaze ca urmare a procesului de topire a minereurilor. Aceste goluri pline cu gaze sub presiune, fac ca pereții golurilor să fie perfect netede și de multe ori chiar în procesul tehnologic de laminare se păstrează fără să se subteze pereții golurilor respective. Infuziune – se datorează anumitor impurități (din zgura de furnal sau din materialul ceramic cu care este căptușit furnalul). Prezența lor în masa de oțel poate conduce la discontinuități ale secțiunilor acestuia, ele rămânând de multe ori și după laminare. Prelucrarările mecanice ale oțelurilor turnate 1.) Forjarea – prelucrarea oțelului prin batere cu ciocanul 2.) Laminarea – caracterizată de trecerea prin laminare și aducere la diferite forme de profil a

oțelului turnat în lingouri sau alte vase cu destinații asemănătoare 3.) Trefilarea – tragerea oțelului în fire 4.) Matrițarea – turnarea oțelului în matrițe special confecționate, de diferite forme și dimensiuni.