Stål som byggemateriale

1. Stål som byggemateriale Forelesning i faget Materiallære av Liv Torjussen høgskolelektor ved HIG

2. Stål i bygg • Vanlige stålbygg • Store bygninger • Offshore • Bruer, mm. • Fasader • Plater • Glass • Sandwich • Estetikk • Stedstilpasning • Vedlikehold

3. 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

4. Ulemper • Korrosjon, rust • Estetikk • Sammenbrudd Unngå fukt • Brannmotstand • Deformasjoner • Sammenbrudd Må oftest brannisoleres • Vipping • Utmatting • Svingninger

5. Fremstilling • Kjemisk sammensetning av konstruksjonsstål: • Jern ca 75 % • Karbon ca 0,2 % • Fosfor • Svovel • Nitrogen • Mangan • Silisium 99,9 % jern

6. Produksjon • Råvarene smeltes i smelteverk • En blokk støpes ut • Konstruksjonsstål varmvalses • Tynnveggede profiler kan kaldvalses • Tynne produkter kaldvalses

7. 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

8. 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

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. 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

13. Bæreevne fu • Strekkprøving av Stålsylinder: • Arbeidsdiagram • Elastisitetsgrense • Flytegrense fy (ε=2‰) • Flyteplatå (ε=2%) • Bruddgrense fu (ε=15%) • Strekkfastheten = flytespenningen fy gir Fasthetsklassen fy 2‰ 2% 15%

14. 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

15. 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

16. 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

17. E-modul i N/mm² eller MPaca.-verdier for ulike materialer: • Konstruksjonsvirke 10 • Betong 30 • Aluminium 70 • Stål 210

18. Varmeledning (U-verdi) i W/(m²∙⁰C) for ulike materialer: • Konstruksjonsvirke 0,12 • Lettbetong, Leca 0,23 • Betong 1,8 • Stål 40 – 60 • Aluminium 200

19. Energibruk • Sammenligning av energiforbruk ved produksjon av søyle og drager konstruksjoner

20. Levetid • Lang levetid når • Normal bruk • Ikke fuktbelastet • Gjenvinning • Omsmelting • Mindre energibruk enn ved nyproduksjon • Gjenbruk • Kontrollere nøye for ny bruk

21. 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

22. Les mer Stålkonstruksjoner grunnkurs, 1 til 6, Per Kr. Larsen, NTH 1986 Konstruksjonslære 1, Stålkonstruksjoner Harald Falsen HIG, 2009  Stålkonstruksjoner 1 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