Przy projektowaniu stalowych konstrukcji budowlanych poddanych działaniu niskich temperatur  wytyczne projektowe powinny zawierać informację o udarności stali. Na działanie niskich temperatur mogą być wystawione konstrukcje eksploatowane na zewnątrz obiektów  lub wewnątrz chłodni i mroźni.  Minimalną temperaturę obliczeniową (zimą) $T_{d,min}$ w danej strefie klimatycznej należy przyjmować zgodnie z normą [1] i dla kombinacji obliczeniowych okrełsonych w normie [2] . Temperaturę w pomieszczeniach technologicznych powinien określić technolog produkcji. Dobór klasy udarności stali stali zależy ponadto od grubości elementu stalowego t [mm] (np. pasa dwuteownika) oraz poziomu wytężenia w % f_y ( w stosunku do granicy plastyczności – wytrzymałości stali). Dobór stali ze względu na kruchość można przeprowadzić w uproszczony sposób tabelaryczny na podstawie normy [3].

Temperatura obliczeniowa

Temperaturę obliczeniowa $T_{Ed}$ w miejscu potencjalnego pęknięcia wyznacza się z zależności [3]:

$$\begin{equation}    T_{Ed}= T_{md} +\Delta T_r + \Delta T_\sigma + \Delta T_R +\Delta T_\dot{\varepsilon}  +\Delta T_{\varepsilon cf}  \label{1} \end{equation}$$

gdzie:

$\Delta T_\sigma$ – składnik uwzględniający wpływ karbu; $\Delta T_R$ – składnik (zapas) bezpieczeństwa. Korzystając z tabeli 2 można pomijać te  składniki ($\Delta T_\sigma=0$, $\Delta T_R=0$ ),

$T_{md}$ – najmniejsza temperatura środowiskowa wg normy [1]
$\Delta T_r$ – składnik uwzględniający straty od promieniowa zgodnie z normą [1].
$\Delta T_\dot{\varepsilon}$ – składnik uwzględniający inną szybkość odkształcenia niż podstawowa $ \dot{ \varepsilon} _o=4 \cdot 10^{-4} 1/s$  – stosowany w sytuacji obciązeń dynamicznych (np, udarowych)  wg wzoru 2.3 [3] )
$\Delta T_{\varepsilon cf}$ – składnik uwzględniający stopień kształtowania na zimo, który dla stali niestarzonej odkształconej na zimno do poziomu $\varepsilon_{cf}$ można przyjmować $\Delta T_{\varepsilon cf}=-3\cdot \varepsilon_{cf}$ (wzór 2.4 [3] ) i dalej korzystać z tab.2. Dla kształtowników spawanych i walcowanych $\Delta T_{\varepsilon cf=0}$

Na poziomie 0 m np. m i dla okresu powrotu 50 lat strefy rozkładu temperatury środowiskowej w Polsce , pokazano na rys. 1. Temperatura minimalna na obszarze centralnym Polski wynosi np $T_{md}= -30^oC$, a w strefie nadmorskiej $T_{md}= -28^oC$

Rys.1. Mapa temperatur minimalnych $T_{md}$ na terenie Polski [1]

Przy posadowieniu konstrukcji na poziomie H stosuje się formułę korekcyjną

$$\begin{equation}    T_{md}(H) = T_{md} – 0,0035 \cdot H  \label{2} \end{equation}$$

Efekt obliczeniowy oddziaływań $E_d$ wyznacza się w kombinacji charakterystycznej częstej (p. artykuł Kombinacje obciażeń w Eurokodach ) według formuły (K3) uzupełnionej o  efekt $E(T_{Ed})$ działania  temperatury obliczeniowej $T_{Ed}$ ($\ref{1}$)

$$\begin{equation}    E_d = E\{ E(T_{Ed}) +\sum_j G_{k,j}  \text{  „+” } \psi_1 Q_1 \text{  „+” } \sum_i \psi_{2,i} Q_{k,i} \} \label{3} \end{equation}$$

Największe działające naprężenia $\sigma_{Ed}$ w punkcie inicjacji pęknięcia wyznacza się pod działaniem obciążeń ($\ref{3}$) i z uwzględnieniem efektu temperatury $E(T_{Ed})$.

Klasy odporności stali na kruche pękanie

Dobór stali ze względu na kruche pękanie i ciągliwość międzywarstwową przeprowadza się zgodnie z normą [4]– tab. 7.2 dla symboli pomocniczych w Grupie 1, zestawionych w tab.1

Tab 1. Symbole pomocnicze udarności stali[4]– fragment  tab. 7.2

Wyróżnia się klasy udarności JR, KR oraz LR w zależności od minimalnej pracy łamania oznaczonej w dżulach J w próbie udarności na belkach Charpy’ego (odpowiednio 27 J, 40J i 60J) . W każdej klasie wyróżnia się sześć grup: 0 do 6 zależnie od temperatury przeprowadzenia próby odpowiednio $0^oC) aż do $-60 ^oC).

W konstrukcjach budowlanych interesująca jest klasa JR, to znaczy temperatura przy której praca łamania stalki będzie wynosiła minimum 27 J.

W projektach zwykle pomija się oznaczenie klasy JR. To znaczy oznaczenie klasy stali S355 wskazuje, że granica plastyczności stali w temperaturze pokojowej wynosi $f_y=355 \, MPa$ a udarność nie jest oznaczona (może być JR)

Dobór stali z warunku kruchego pękania

Podatność stali na kruche pękanie zleży w szczególności od temperatury pracy $T_{Ed}$ oraz grubości ścianki elementu $t$

W tab.2 przedstawiono  zestawienie służące do doboru wymaganej klasy udarności (grupy jakości) stali w zależności od temperatury pracy i grubości ścianki w miejscu potencjalnego inicjowania kruchego pękania ( w praktyce maksymalnej grubości ścianki, np. półki dwuteownika)

Tab.2 Dobór klasy udarności (grypy jakości stali  [3] – tab. 2.1.

Na podstawie tabeli można dobrać  wymaganą klasę udarności  stali o określonej   klasie wytrzymałości, eksploatowanej w określonej temperaturze i  wykonanej z kształtownika o określonej grubości ścianki.

Na przykład dla stali S355 eksploatowanej w temperaturze obliczeniowej $T_{Ed}=-30^oC$
przy naprężeniach nominalnych od obciążeń charakterystycznych $\sigma_{Ed} < 0,75 f_y$
klasa JR wystarcza dla elementów o maksymalnej grubości t= 15 mm. Jednak, gdy grubość elementu wynosi t=40 mm, to należy zastosować stal o klasie udarności J2.

Na rys. 2 przedstawiono nomogram opracowany na podstawie pracy [5]

Rys.2 Dobór gatunku stali w zależności od grubości blach [5]

 Literatura

1. PN-EN 1991-5/NA:2005, Eurokod 1: Oddziaływania na konstrukcje – Część 1-5: Oddziaływania ogólne – Oddziaływania termiczne
2. PN-EN 1990, Eurokod : Podstawy projektowania
3. PN-EN 1993-10:2007, Projektowanie konstrukcji stalowych, Część  1-10. Dobór stali ze względu na kruche pękanie i ciągliwość międzywarstwową
4. PN-EN10027-1: Systemy oznaczania stali, Znaki stali, symbole główne
5. Rykaluk K, (2000), Pęknięcia w konstrukcjach stalowych,  Dolnośląskie Wydawnictwo Edukacyjne, Wrocław

________________________________