KONSTRUKCJE STALOWE 

1 

 

Autor:          dr inŜ. S. Górski 
Copywriter:            Danka W. 

Spis tre

ś

ci: 

 
1. Stal ................................................................................................................................ 3

 

1.1   Zastosowanie stali ................................................................................................. 3

 

2. Stal ................................................................................................................................ 4

 

2.1   Historia stali .......................................................................................................... 4

 

2.2   Zalety konstrukcji stalowych ................................................................................ 4 
2.3   Wady konstrukcji stalowych................................................................................. 5

 

3. Struktura metali. Skład stali i proces przetwórczy........................................................ 6

 

3.1   Metalografia i proces krystalizacji........................................................................ 6

 

3.2   Technologia stali ................................................................................................... 8

 

3.3   Produkcja stali....................................................................................................... 8

 

3.3.1   Surowce do produkcji stali......................................................................... 8

 

3.3.2   Konwertor Bessemera................................................................................ 9

 

3.3.3   Wykładzina zasadowa................................................................................ 9

 

3.3.4   Piec Martenowski....................................................................................... 9

 

3.4   Świerzenie stali ................................................................................................... 10

 

3.5   Odtlenianie.......................................................................................................... 10

 

3.5.1   Stal nieuspokojona ................................................................................... 10

 

3.5.2   Stal półuspokojona................................................................................... 11

 

3.5.3   Stal uspokojona........................................................................................ 11

 

3.6   Obróbka cieplna stali .......................................................................................... 11

 

3.6.1   WyŜarzanie .............................................................................................. 12

 

3.6.2   Hartowanie............................................................................................... 12

 

3.6.3   Odpuszczanie ........................................................................................... 13

 

3.6.4   Przesycanie .............................................................................................. 13

 

3.6.5   Starzenie................................................................................................... 13

 

4. Charakterystyczne właściwości mechaniczne stali..................................................... 15

 

4.1   Wytrzymałość stali.............................................................................................. 15

 

4.1.1   Wykres zaleŜności napręŜeń od odkształceń ........................................... 16

 

4.1.2   Opis .......................................................................................................... 17

 

4.1.3   Definicje granic........................................................................................ 19

 

4.2   Udarność stali...................................................................................................... 19

 

4.2.1   Badanie udarności .................................................................................... 20

 

4.2.2   Odmiany plastyczyczności....................................................................... 20

 

4.3   Spawalność stali.................................................................................................. 21

 

4.3.1   Warunki spawalności ............................................................................... 21

 

4.3.2   RównowaŜnik węgla ................................................................................ 22

 

4.4   Twardość stali ..................................................................................................... 22

 

4.5   Odporność stali na wysokie temperatury............................................................ 23

 

4.5.1   Zachowanie stali w wysokiej temperaturze ............................................. 23

 

4.5.2   Zabezpieczenie stali przed wysoką temperaturą...................................... 23

 

4.6   Korozja stali ........................................................................................................ 24

 

4.6.1   Teorie korozji........................................................................................... 24

 

4.6.2   Rodzaje korozji ........................................................................................ 24

 

4.6.3   Zabezpieczenia antykorozyjne konstrukcji stalowych............................. 24

 

4.6.4   Stopnie oczyszczenia powierzchni malowanych ..................................... 25

 

5. Stale stosowane w budownictwie ............................................................................... 26

 

5.1   Rodzaje stali........................................................................................................ 26

 

5.2   Walcowanie......................................................................................................... 26

 

 

KONSTRUKCJE STALOWE 

2 

 

Autor:          dr inŜ. S. Górski 
Copywriter:            Danka W. 

5.2.1   Produkcja walcownicza na gorąco........................................................... 26

 

5.2.2   Produkcja hutnicza................................................................................... 28

 

6. Wymiarowanie konstrukcji ......................................................................................... 29

 

6.1   Zasady wymiarowania ........................................................................................ 29

 

6.1.1   Metoda oparta na napręŜeniach dopuszczalnych ..................................... 29

 

6.1.2   Metoda tzw. stanów granicznych............................................................. 29

 

6.2   Analiza nośności z dopuszczeniem odkształceń plastycznych ........................... 30

 

6.2.1   Schemat.................................................................................................... 31

 

6.2.2   Analiza napręŜeń i odkształceń................................................................ 33

 

6.2.3

 

Stosunek momentu przegubu plastycznego do momentu granicznego .. 35

 

6.2.4   Moment plastyczny.................................................................................. 36

 

6.2.5   Wskaźnik Ω.............................................................................................. 36

 

6.2.6   Ugięcia ..................................................................................................... 37

 

7. Połączenia ................................................................................................................... 38

 

7.1   Połączenia rozbierane ......................................................................................... 38

 

7.1.1   Połączenia sworzniowe............................................................................ 38

 

7.1.2   Połączenia śrubowe.................................................................................. 41

 

7.1.3   Obliczanie połączeń sworzniowych i śrubowych .................................... 52

 

7.2   Połączenia stałe................................................................................................... 60

 

7.2.1   Połączenia nitowane................................................................................. 60

 

7.2.2   Połączenia spawane ................................................................................. 61

 

7.2.3   Obliczanie połączeń spawanych .............................................................. 74

 

 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

KONSTRUKCJE STALOWE 

3 

 

Autor:          dr inŜ. S. Górski 
Copywriter:            Danka W. 

1. Stal 

1.1 Zastosowanie stali: 

 

-

  Hale przemysłowe i pawilony 

-

  Mosty 

-

  Hangary lotnicze 

-

  Budynki szkieletowe, wysoko

ś

ciowe 

-

  Budynki dworców komunikacyjnych 

-

  Budynki wysokie, powłokowe 

-

  Wie

Ŝ

e 

-

  Wie

Ŝ

e górnicze, wyci

ą

gowe 

-

  Maszty 

-

  Kominy 

-

  Estakady 

-

  Konstrukcje z blach (z silosów) 

-

  Bunkry 

-

  Jazy, zapory 

-

  Zasobniki  – 

krótkotrwałe magazynowanie materiałów sypkich; 
niska konstrukcja o ró

Ŝ

nych obj

ę

to

ś

ciach 

-

  Zbiorniki 

– 

100 000 m

3

 paliwa 

(cylindryczne, pionowe, stoj

ą

ce, le

Ŝą

ce) 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

KONSTRUKCJE STALOWE 

4 

 

Autor:          dr inŜ. S. Górski 
Copywriter:            Danka W. 

2. Stal 

2.1 Historia stali. 

 

1938 r.   

– 

Polska produkowała 1,7 mln ton stali rocznie; 

 

 

 

Niemcy produkowali 40 – 50 mln ton stali rocznie; 

 
1951 r.   

– 

Polska produkuje 3,7 mln ton stali rocznie; 

 
1956 r.   

– 

w wyniku modernizacji hut zwi

ę

kszamy produkcj

ę

; 

 

Lata 60-te 

– 

w wyniku oddania Huty Nowej, produkujemy ponad 7 mln ton 

 

 

stali rocznie; 

 
Lata 70-te 

– 

Polska produkowała 12 – 16 mln ton stali rocznie; 

 
Lata 80-te 

– 

Polska produkowała najwi

ę

cej stali - 20 mln ton stali rocznie; 

 
Obecnie 

– 

Polska produkuje 10 – 12 mln ton stali rocznie; 

Produkujemy  lepsz

ą

  stal.  Zmniejszenie  ilo

ś

ci  było  rekompensowanie  przez 

zmian

ę

 jako

ś

ci stali, mo

Ŝ

liwo

ść

 lepszego wykorzystania. 

 

2.2 Zalety konstrukcji stalowych: 

 

-

  wytwarzanie elementów w specjalnych zakładach 

-

  obróbka elementów w specjalnych zakładach 

-

  łatwo

ść

 zmechanizowania prac monta

Ŝ

owych i znaczne uniezale

Ŝ

nienie si

ę

 od pory roku 

i warunków pogodowych 

-

  znaczny współczynnik lekko

ś

ci konstrukcji: 

 

dop

σ

γ

 

 

•

 

stal (7,85 tony)  

 

6

6

10

2

10

5

−

−

⋅

−

⋅

=

dop

σ

γ

 

•

 

drewno (400-600 kg) 

 

6

10

6

−

⋅

=

dop

σ

γ

 

•

 

Ŝ

elbet   

 

 

5

10

2

−

⋅

=

dop

σ

γ

 

•

 

aluminium 

 

 

6

10

7

,

1

−

⋅

=

dop

σ

γ

 

 
 

-

  łatwo

ść

 wzmacniania i przerabiania konstrukcji stalowych 

-

  du

Ŝ

y uzysk elementów podczas rozbiórek 

-

  bezpieczny i łatwiejszy monta

Ŝ

 

-

  urz

ą

dzenia d

ź

wigowe do transportu, o mniejszych no

ś

no

ś

ciach 

-

  mo

Ŝ

liwo

ść

  uzyskania  wi

ę

kszych  powierzchni  u

Ŝ

ytkowych  ze  wzgl

ę

du  na  mniejsze 

przekroje 

-

  mniejsze obci

ąŜ

enia na słupy 

 

KONSTRUKCJE STALOWE 

5 

 

Autor:          dr inŜ. S. Górski 
Copywriter:            Danka W. 

-

  znikome urz

ą

dzenia w transporcie 

-

  łatwo

ść

 zakładania instalacji 

-

  mała wra

Ŝ

liwo

ść

 na zmian

ę

 kierunku sił i obci

ąŜ

e

ń

 

-

  wysokie napr

ęŜ

enia styczne 

σ

τ

⋅

=

6

,

0

 

 

-

  konstrukcje  stalowe  umo

Ŝ

liwiaj

ą

  stawianie  konstrukcji  o  du

Ŝ

ych  rozpi

ę

to

ś

ciach 

i stosunkowo małym ci

ęŜ

arze 

 

2.3 Wady konstrukcji stalowych: 

 

-

  korozja 

– 

proces niszczenia 

-

  wra

Ŝ

liwo

ść

 na wysokie temperatury 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

KONSTRUKCJE STALOWE 

6

 

 

Autor:          dr inŜ. S. Górski 
Copywriter:            Danka W. 

3. Struktura metali. Skład stali i proces przetwórczy 

3.1 Metalografia i proces krystalizacji: 

 
Metalografia to nauka o budowie wewn

ę

trznej, czyli strukturze metali i stopów.  

Istnieje 

ś

cisły zwi

ą

zek mi

ę

dzy budow

ą

, a własno

ś

ciami metali i stopów. 

Wszystkie metale maj

ą

 budow

ę

 krystaliczn

ą

, tzn., 

Ŝ

e atomy i cz

ą

steczki układaj

ą

 si

ę

 w nich, w sposób 

uporz

ą

dkowany, tworz

ą

c przestrzenne siatki krystaliczne. 

Aby tak

ą

 siatk

ę

 zniszczy

ć

, potrzebna jest praca na pokonanie sił działaj

ą

cych mi

ę

dzy atomami. 

Metale maj

ą

 na ogół przestrzenn

ą

 lub płasko-centryczn

ą

 siatk

ę

 krystaliczn

ą

. 

 
W zale

Ŝ

no

ś

ci od temperatury metale zmieniaj

ą

 swoje wła

ś

ciwo

ś

ci w znacznych zakresach: 

 

-

  centryczny  - 

Ŝ

elazo 

α

, do 899°C 

-

  płasko-centryczny - 

Ŝ

elazo 

β

, od 899°C - 1401°C 

 
 

 

 
Zmiana  wła

ś

ciwo

ś

ci  polega  na  zmianie  rozmieszczenia  atomów.  Zmianie  tej  zazwyczaj  towarzyszy 

pochłanianie lub wydzielanie ciepła. 
Metale s

ą

 ciałami anizotropowymi tzn., 

Ŝ

e ich wła

ś

ciwo

ś

ci zale

Ŝą

 od kierunku, w którym je okre

ś

lamy. 

Ciała  bezpostaciowe,  takie  jak  szkło,  ebonit,  s

ą

  ciałami  izotropowymi,  tzn., 

Ŝ

e  ich  własno

ś

ci 

s

ą

 jednakowe we wszystkich kierunkach, w jakich s

ą

 okre

ś

lane. 

Podczas  krzepni

ę

cia  pojawiaj

ą

  si

ę

  w  nich  o

ś

rodki  krystalizacji  i  od  nich,  w  3  przestrzennych, 

przecinaj

ą

cych  si

ę

  kierunkach,  narastaj

ą

  z  rozmaitymi  szybko

ś

ciami  gał

ę

zie  krystaliczne,  tworz

ą

c 

du

Ŝ

e kryształy na kształt drzewa – tzw. dendryty. 

Na  proces  krystalizacji,  czyli  szybko

ść

  narastania  oraz  wielko

ść

  ziaren  istotny  wpływ  wywieraj

ą

 

równie

Ŝ

 wszelkiego rodzaju domieszki  i zanieczyszczenia. 

Liczba  kryształów  i  ich  wielko

ść

  zale

Ŝą

  od  szybko

ś

ci  powstawania  o

ś

rodków  krystalicznych 

i szybko

ś

ci  wzrostu  gał

ę

zi.  Im  wi

ę

ksza  szybko

ść

  chłodzenia  tym  wi

ę

cej  powstaje  o

ś

rodków 

krystalizacji.  Przy  wolnym  chłodzeniu  liczba  kryształów  b

ę

dzie  mniejsza,  ale  b

ę

d

ą

  one  znacznie 

wi

ę

ksze.  

Kryształy 

o 

regularnej 

budowie 

wewn

ę

trznej 

i 

nieregularnym 

kształcie 

zewn

ę

trznym 

(ograniczone ziarnami  bocznymi  –  dochodzi  do  rozpychania  si

ę

  ziaren  miedzy  sob

ą

), 

nazywamy krystalitami lub ziarnami. Im wi

ę

ksze b

ę

d

ą

 ziarna, tym wi

ę

ksze b

ę

d

ą

 ró

Ŝ

nice wytrzymało

ś

ci 

próbek  okre

ś

lanych  w  ró

Ŝ

nych  kierunkach.  Wielo-kryształowe  ciała  zło

Ŝ

one  z dowolnych  ziaren 

o ró

Ŝ

nej orientacji nazywamy ciałami kwazi-izotropowymi. 

(Izotropia jest w skali makro, w skali mikro jest an-izotropia). 
 

 

KONSTRUKCJE STALOWE 

7

 

 

Autor:          dr inŜ. S. Górski 
Copywriter:            Danka W. 

 

 
 
 

 

 

 

KONSTRUKCJE STALOWE 

8

 

 

Autor:          dr inŜ. S. Górski 
Copywriter:            Danka W. 

3.2 Technologia stali: 

 
Stal 

- 

stop 

Ŝ

elaza z w

ę

glem, o zawarto

ś

ci w

ę

gla do 2 %. 

 
Technologia  stali  polega  przede  wszystkim  na  stworzeniu  produktu  ko

ń

cowego  wielkiego  pieca  -  

surówki,  uszlachetniaj

ą

c  j

ą

  i  redukuj

ą

c  b

ę

d

ą

ce  w  nadmiarze  ro

Ŝ

ne  składniki,  do  danej  receptury, 

czyli składu chemicznego stali. Proces przetwórczy jest skomplikowany, gdy

Ŝ

 jest procesem wysoko-

termicznym.  W  wysokich  temperaturach  ma  nast

ą

pi

ć

  regulacja  składu  chemicznego,  czyli  usuni

ę

cie 

pewnych  składników  znajduj

ą

cych  si

ę

  w  nadmiarze  w surówce  i  dodaniem  pierwiastków 

uszlachetniaj

ą

cych  dany  rodzaj  stali,  zwi

ę

kszaj

ą

c  jej  walory  dla  takich,  czy  innych  cech 

mechanicznych. Temperatura przetwórstwa w stal wynosi ok. 1529

 – 

2000

°

C (dla czystego 

Ŝ

elaza). 

Jest to proces bardzo zło

Ŝ

ony (regulacja w czasie, badanie składu w czasie roztopionej masy metalu 

z dokładno

ś

ci

ą

 do setnych procenta zawarto

ś

ci niektórych pierwiastków).  

  

3.3 Produkcja stali 

3.3.1. 

Surowce do produkcji sali 

Wieki piec nie produkuje stali, tylko surówk

ę

 jako produkt ko

ń

cowy. 

 

Surówka składa si

ę

 z: 

 

-

  93%  

Ŝ

elaza 

-

  7% ró

Ŝ

nych, innych składników w tym: 

 

•

 

Składników po

Ŝ

ytecznych dla dalszej przeróbki i cech wytrzymało

ś

ciowych 

•

 

Domieszek i zanieczyszcze

ń

: 

 

 

Siarka   

0,02 – 0,08 % 

 

Fosfor   

0,1 – 2% 

 

W

ę

giel  

2,5 – 4,5% 

 

Mangan 

0,2 – 3% 

 

Krzem   

0,3 – 4,2% 

Siarki w surówce dopuszczamy od 0,02 – 0,08 % . To nadal stanowi du

Ŝą

 ilo

ść

 i dlatego staramy 

si

ę

 j

ą

 usun

ąć

. Technicznie oczy

ś

ci

ć

 z siarki nie mo

Ŝ

emy, bo jest to nie mo

Ŝ

liwe i szalenie drogie. 

 

W

ę

giel wyst

ę

puje w dwóch postaciach: 

 

-

  Stopu z 

Ŝ

elazem – w

ę

glik 

Ŝ

elaza

C

Fe

3

(cementyt), bardzo twardy. 

Przełom  cementytu  jest  metaliczny,  srebrzysty,  jasny  i  st

ą

d  nazwa  surówki  – 

surówka biała. 

-

  Wolnej postaci – grafitu. 

Przełom jest szary, st

ą

d nazwa surówki – surówka szara 

 

Rudy  –  bogate  w 

Ŝ

elazo  magnetyt  i  hematyt  (limonit,  syderyt  –  mniej  bogate),  w  du

Ŝ

ych 

kawałkach  lub  specjalnie  prasowanych  granulatach, 

Ŝ

eby  straty  przy  przechodzeniu  do  k

ą

pieli 

(1600  °C  roztopiony  wsad  w  piecu  martenowskim)  prze z  warstw

ę

 

Ŝ

u

Ŝ

la,  powstałego  z  ró

Ŝ

nego 

typu zanieczyszcze

ń

, były jak najmniejsze. 

 

Paliwa – gaz czadnicowy, gaz koksowy, ropa naftowa, energia elektryczna. 
 

ś

elazostopy – dodatki niezb

ę

dne dla przetwórstwa surówki w stal (

Ŝ

elazomangan). 

 
Dodatki uszlachetniaj

ą

ce – mied

ź

, wanad, chrom, molibden. 

 

KONSTRUKCJE STALOWE 

9

 

 

Autor:          dr inŜ. S. Górski 
Copywriter:            Danka W. 

3.3.2. 

Konwertor Bessemera 

Konwertor  Bessemera  (1856  r.),  zwany  inaczej  gruszk

ą

  Bessemera.  Kształt  gruszki  pozwala 

na przyspieszenie  i  zwielokrotnienie  produkcji  stali.  Na  dnie  konwertora  zastosował  dysz

ę

 

(wykonan

ą

  ze  stali 

Ŝ

aroodpornej)  do  przedmuchiwania  roztopionego  wsadu,  spr

ęŜ

onym 

powietrzem.  W konwertorze 

zastosowano  równie

Ŝ

 

wykładzin

ę

  kwa

ś

n

ą

  krzemionkow

ą

, 

która uniemo

Ŝ

liwiała, 

aby 

konwertor 

si

ę

 

stopił 

(odcinaj

ą

ca 

konwertor 

od 

wsadu). 

Zastosowanie krzemionkowej  wykładziny  spowodowało, 

Ŝ

e  istniały  ograniczenia  co  do  składu 

chemicznego surówki. Surówka nie mogła mie

ć

 wi

ę

cej fosforu ni

Ŝ

 0,1% 

 
 

3.3.3. 

Wykładzina zasadowa 

 

Sir  Thomas  (1878  r.)  opatentował  wykładzin

ę

  zasadow

ą

,  dolomitow

ą

.  Umo

Ŝ

liwiała  ona 

odfosfarzanie surówek, czyli przerabianie surówek o dowolnej zawarto

ś

ci fosforu. 

 
 

3.3.4. 

Piec Martenowski 

 
Siemens i Martin (1864 r.) opatentowali przetwarzanie surówki ze złomem, w stal. 
Piec przez nich opracowany nazywa si

ę

 piecem martenowskim. Stal martenowska stanowi dzisiaj 

95%  produkcji  stali.  Piec  martenowski  jest  układem  bardzo  racjonalnym  pod  wzgl

ę

dem 

energetycznym,  ze  znaczn

ą

  recyrkulacj

ą

  ciepła  energetycznego.  Przy  piecu  martenowskim 

stworzyli  baterie  nagrzewnic  (kominki  stoj

ą

ce,  przez  które  przepływało  powietrze  i  spaliny. 

Spaliny dawały 

temperatur

ę

 

i 

ogrzewały 

wykładzin

ę

 

w nagrzewnicach 

kauperowskich 

do temperatury  powy

Ŝ

ej  1000°C.  Zamykało  si

ę

  wypływ  spalin  do  baterii  nagrzewnic  z  jednej 

strony, puszczało si

ę

 w drug

ą

, a tamt

ę

dy puszczało si

ę

 powietrze zimne, które przechodz

ą

c przez 

nagrzewnic

ę

, nagrzewało si

ę

 do temperatury powy

Ŝ

ej 800°C. 

 
 
 

 

 

 

KONSTRUKCJE STALOWE 

10

 

 

Autor:          dr inŜ. S. Górski 
Copywriter:            Danka W. 

3.4 

Ś

wie

Ŝ

enie stali 

 

Jest to proces przetwórczy, polegaj

ą

cy na wytapianiu surówek, rud, mikroskładników, regulacji składu 

chemicznego  w  wysokich  temperaturach,  w  stanie  płynnym,  nast

ę

puje  redukcja  jednych  składników 

i dodanie innych w postaci mikrododatków (w procentach, dziesi

ą

tych lub setnych procenta). 

Usuwamy  w

ę

giel,  który  jest  w  nadmiarze  (w

ę

gla  w  surówce  szlachetnej  jest  0,2%  –  4,5%), 

(w zwykłej surówce otrzymywanej w hutach 2 – 4,5%). 
Okres wyka

ń

czania wytopu polega na wycofaniu nadmiaru wprowadzonego materiału jakim jest tlen. 

Tlen  w  stali  jest  potrzebny  tylko  do  regulacji  składu.  Jego  obecno

ść

  po  zakrzepni

ę

ciu  jest 

nie do zaakceptowania. Musi by

ć

 usuni

ę

ty, a dokonujemy tego poprzez dodawanie odtleniaczy. 

 

3.5 Odtlenianie 

 
Proces  odtleniania:  polega  zasadniczo  na  dodatku   

Ŝ

elazomanganu  lub  surówki  zwierciadlistej. 

Chc

ą

c uzyska

ć

  stal  uspokojon

ą

  jednorodn

ą

,  czyli  woln

ą

  od 

FeO

  –  stosuje  si

ę

 

Ŝ

elazo-krzem. 

Ostatecznie  odtlenienie  odbywa  si

ę

  za  pomoc

ą

  glinu  (sproszkowanego).  Dodatek 

Al

    stosuje 

si

ę

 nawet  w  ostatniej fazie, dodaj

ą

c j

ą

 do  wlewków,  gdzie b

ę

dzie krzepła stal (aluminium jest bardzo  

łapczywe  na  tlen,  jest  to  reakcja  bardzo  gwałtowna  i  w  sposób  zdecydowany  obni

Ŝ

a  poziom 

FeO

 

w stali). 

Al

 słu

Ŝ

y  te

Ŝ

  do  regulacji  wielko

ś

ci  ziaren  stali  (minimalne). 

Si

  oraz 

Al

  ze  wzgl

ę

du 

na ogromne powinowactwo do tlenu, reaguj

ą

 z rozpuszczonym w stali 

FeO

. Powstaj

ą

ce nowe tlenki 

s

ą

 prawie  całkowicie    nierozpuszczalne  w  stali  (

ś

ladowe  ilo

ś

ci)  i  tworz

ą

  w niej  zawiesin

ę

. 

W zale

Ŝ

no

ś

ci od stopnia odtlenienia rozró

Ŝ

nia si

ę

 stal: nieuspokojon

ą

, półuspokojon

ą

 , uspokojon

ą

. 

 
Wlewek – forma 

Ŝ

eliwna lub staliwna do której wlewa si

ę

 stal w celu uzyskania półfabrykatu. 

 
 

3.5.1. 

Stal nieuspokojona 

 
Stal nieuspokojona to stal, w której wyst

ę

puj

ą

 znaczne ilo

ś

ci zakrzepłych p

ę

cherzyków. 

Wlewamy do wlewka roztopiony wsad martena. Poprzez obni

Ŝ

anie temperatury b

ę

d

ą

 powstawały 

o

ś

rodki  krystalizacji,  wsad  b

ę

dzie  krzepł  i  b

ę

d

ą

  wydzielały  si

ę

  tysi

ą

ce  p

ę

cherzyków  gazu 

CO

. 

P

ę

cherzyki  zostaj

ą

  uwi

ę

zione  w  zakrzepni

ę

tym,  st

ęŜ

onym  materiale.  Na  górze  tworzy  si

ę

  strefa 

zag

ę

szczenia  i  jest  to  strefa  segregacji,  w  której  znajduj

ą

  si

ę

  wszelkiego  typu  zanieczyszczenia, 

które 

CO

 (gaz czadnicowy) wynosi.  

Stal  nieuspokojon

ą

  uzyskujemy  poprzez  odtlenienie  w  ko

ń

cowej  fazie  produkcji  wył

ą

cznie 

manganem. Jest to najta

ń

szy proces produkcyjny, w wyniku którego otrzymujemy stal najgorszej 

jako

ś

ci.  Mangan  obni

Ŝ

a  zawarto

ść

  tlenku 

Ŝ

elaza 

FeO

  w  stali,  jednak  nie  na  tyle,  aby  zapobiec 

reakcji: 
 

 

CO

Fe

C

FeO

+

→

+

 

 
 

Reakcj

ę

  t

ę

  powoduje  spadek  rozpuszczalno

ś

ci 

FeO

  w  płynnej  stali,  przy  temperaturze 

krzepni

ę

cia. Wydzielaj

ą

 si

ę

 wi

ę

c gazy 

CO

, co powoduje tzw. wrzenie wlewka w miar

ę

 obni

Ŝ

ania 

si

ę

  temperatury, zag

ę

szczania  stali  i  zatrzymaniu  w  krzepn

ą

cej  stali  p

ę

cherzyków 

CO

. 

Wn

ę

trze wlewka jest całkowicie wypełnione p

ę

cherzykami gazu i ten półfabrykat idzie do obróbki 

walcowniczej.  Nast

ę

puje  zgniecenie  (otrzymujemy  struktur

ę

  włóknist

ą

),  sklejenie  i  zduszenie 

p

ę

cherzyków,  zawalcowanie  ich.  Je

ś

li  obci

ąŜ

ymy  element  prostopadle  do  kierunku  walcowania 

to stal  ulega  szybkiemu  rozwarstwieniu,  gdy

Ŝ

  wytrzymało

ść

  jej  jest  mniejsza  ani

Ŝ

eli  po  kierunku 

walcowania. Obni

Ŝ

a to wytrzymało

ść

 znacznie i mo

Ŝ

na przyj

ąć

, 

Ŝ

e rozwarstwienie jest gro

ź

ne dla 

odpowiedniego  poziomu  produkcji;  dla  stali  nieuspokojonych  granica  obci

ąŜ

e

ń

  wynosi  powy

Ŝ

ej 

50%  no

ś

no

ś

ci  danej  stali.  Stal  ta  jest  podatna  na  spaczenie,  wytrzymało

ść

  wzrasta,  ale  cechy 

plastyczne jak udarno

ść

 i ci

ą

gliwo

ść

 b

ę

d

ą

 si

ę

 pogarszały. Stal ta jest najta

ń

sza poniewa

Ŝ

 mamy 

najkrótszy  proces  wytwarzania  i  najwi

ę

kszy  odzysk,  uzyskujemy  pełn

ą

  obj

ę

to

ść

  formy, 

poniewa

Ŝ

 du

Ŝ

e siły rozpr

ęŜ

ne gazu redukuj

ą

 efekt skurczu. 

 

KONSTRUKCJE STALOWE 

11

 

 

Autor:          dr inŜ. S. Górski 
Copywriter:            Danka W. 

3.5.2. 

Stal półuspokojona 

 

Po  wst

ę

pnym  odtlenieniu  manganem,  dodajemy  krzem  (0,15%  krzemu).  Uzyskujemy  w  ten 

sposób  lepsze  uspokojenie  otrzymuj

ą

c  stal  półuspokojon

ą

,  która  jest  bardziej  odporna 

na rozwarstwienie. Jednak przy pełnym obci

ąŜ

eniu rozwarstwienie mo

Ŝ

e wyst

ą

pi

ć

. 

Dodanie  krzemu  powoduje  ze  p

ę

cherzyków  jest  mniej,  co  ogranicza  reakcje 

CO

. 

Wlewek po zakrzepni

ę

ciu  b

ę

dzie  odstawał  nieco  od 

ś

ciany,  wyst

ą

pi  efekt  skurczu, 

bo nie ma pełnej rekompensaty silami rozpr

ęŜ

nymi gazu. 

 
 

3.5.3. 

Stal uspokojona 

 

Wi

ę

kszy  dodatek  krzemu  (0,35%)  i  aluminium  (0,15%)  powoduje  pełne  odtlenienie. 

Je

Ŝ

eli glin pozostanie we wlewku po skrzepni

ę

ciu w postaci metalicznej, drobnej, sproszkowanej, 

w 

ś

ladowych  ilo

ś

ciach  rz

ę

du  setnych  procenta,  powoduj

ą

  ze  uzyskamy  stal  o  strukturze 

drobnoziarnistej,  równomiernej.  Odtlenienie  całkowite  powoduje  brak  p

ę

cherzyków  gazów, 

a zatem  nie  ma  kompensacji  sił  skurczu.  Wyst

ę

puj

ą

  du

Ŝ

e  skurcze  na  poboczu  i  na  dnie. 

Wynikiem skurczu jest jama obsadowa. 
Jest to stal najlepsza, nadaj

ą

ca si

ę

 na obci

ąŜ

enia dynamiczne. 

 
 

 

 

3.6 Obróbka cieplna stali: 

 

Obróbki termiczne stanowi

ą

 istotny sposób poprawy wła

ś

ciwo

ś

ci stali. W obróbkach cieplnych mo

Ŝ

na 

zmienia

ć

 wła

ś

ciwo

ś

ci stali w stosunkowo du

Ŝ

ym zakresie. 

Jest  to  zespół  zabiegów  termicznych,  zmieniaj

ą

cych  struktur

ę

  stopów,  a  zatem  jej  wła

ś

ciwo

ś

ci 

mechaniczne,  fizyczne  i  chemiczne.  Zmiany  te  dokonywane  s

ą

  w  znacznych  granicach 

(nawet do 200% wytrzymało

ś

ci) 

 
 
Z ró

Ŝ

nych zabiegów termicznych w budownictwie najcz

ęś

ciej wykorzystywane s

ą

: 

 

-

  Wy

Ŝ

arzanie 

-

  Hartowanie 

-

  Odpuszczanie 

-

  Przesycanie 

 

 

KONSTRUKCJE STALOWE 

12

 

 

Autor:          dr inŜ. S. Górski 
Copywriter:            Danka W. 

3.6.1. 

Wy

Ŝ

arzanie 

 

Polega  na  nagrzaniu  materiału  do  okre

ś

lonej  temperatury,  wygrzaniu  na  wskro

ś

  przez  czas 

dostatecznie długi i ochłodzeniu 

 
 

1.  wy

Ŝ

arzanie  normalizuj

ą

ce  –  przywracanie  stanu  normowego  polega  na  nagrzaniu  stali 

do obszaru austenitu (ok. 900°C), wygrzaniu w tej t emperaturze przez czas dostatecznie długi 
i ostudzeniu  w  spokojnym  powietrzu.  W  efekcie  uzyskujemy  struktur

ę

  równomiern

ą

,  drobn

ą

, 

co wpływa na ujednolicenie i polepszenie wła

ś

ciwo

ś

ci mechanicznych. 

 
2.  warunki  odpr

ęŜ

aj

ą

ce  –  ma  ono  na  celu  usuni

ę

cie  napr

ęŜ

e

ń

  własnych  np.  od  przeróbek 

plastycznych na gor

ą

co lub zimno, spawania, kucia itp. bez wyra

ź

nych zmian strukturalnych. 

Stal podgrzewa si

ę

 do temperatury < 650°C, wygrzewa si

ę

, nast

ę

pnie studzi najlepiej z całym 

piecem (do 2 tygodni). 

Temperatura  wy

Ŝ

arzania  powinna  by

ć

  wi

ę

ksza  od  temperatury,  w  której  wytrzymało

ść

 

stali znacznie  si

ę

  obni

Ŝ

a,  a  rosn

ą

  jej  cechy  plastyczne,  co  umo

Ŝ

liwia  wyzwolenie 

napr

ęŜ

e

ń

 plastycznych poprzez wewn

ę

trzne odkształcenia plastyczne. 

 

3.  warunki  rekrystalizuj

ą

ce  –  wy

Ŝ

arzanie  to  ma  na  celu  usuni

ę

cie  zjawiska  zgniotu 

(zniszczenia  siatki  krystalicznej  w  wyniku  przekroczenia  granicy  plastyczno

ś

ci  na  zimno, 

czyli w temperaturze  otoczenia).  Wy

Ŝ

arzanie  to  stosujemy  po  zabiegach  kucia,  walcowania, 

tłoczenia  i  przeci

ą

gania  –  na  zimno.  Ju

Ŝ

  podgrzanie  do  200-300°C  daje  zmiany 

w zgniecionym  materiale,  nast

ę

puje  cz

ęś

ciowa  rekrystalizacja,  czyli  regeneracja  siatki 

krystalograficznej  zmienionej  przez  zgniot.  Efektem  jest  zmniejszenie  napr

ęŜ

e

ń

  i  cz

ęś

ciowy 

nawrót do własno

ś

ci materiału nie zgniecionego. W temperaturze wy

Ŝ

szej, czyli temperaturze 

rekrystalizacji  (ok.  600  -  700°C)  równej  0,4  temper atury  topnienia  nast

ę

puj

ą

  istotne  zmiany, 

gdy

Ŝ

  zaczynaj

ą

  si

ę

  tworzy

ć

  nowe  o

ś

rodki  krystalizacji  i  wokół  nich,  kosztem  zgniecionych 

narastaj

ą

  nowe  kryształy,  osi

ą

gaj

ą

c  niekiedy  rozmiary  wi

ę

ksze  ni

Ŝ

  przed  zgniotem. 

Zjawiska zachodz

ą

ce 

poni

Ŝ

ej 

temperatury 

rekrystalizacji 

nazywane 

s

ą

 

nawrotem 

(cz

ęś

ciowe odtworzenie).  

 

 

t

r

t

t

⋅

=

4

,

0

 

gdzie: 

 

r

t

  - 

temperatura rekrystalizacji 

t

t

  - 

temperatura topnienia  

 
 
 

3.6.2. 

Hartowanie 

 

Polega  na  nagrzaniu  stali  do  temperatury  powy

Ŝ

ej  A3  (–>na  wykresie 

Ŝ

elazo-w

ę

giel  900°C) 

dla stali  podeutektoidalnych  lub  powy

Ŝ

ej  A1  (723°C)  dla  stali  nadeutektoidalnych  i  wygrza niu 

w niej  na  wskro

ś

  celem  uzyskania  struktury  austenitycznej  w stalach  podeutektoidalnych 

lub austenityczno-cementytowej  w  stalach  nadeutektoidalnych  i  nast

ę

pnie  szybkim  ostudzeniu 

olejem. 
Cementyt jest twardym weglikiem 

Ŝ

elaza.  

Celem  hartowania  jest  otrzymanie  struktury  martenzytycznej  (blaszkowej  –  bardzo  twardej), 
zapewniaj

ą

cej 

stali 

du

Ŝą

 

twardo

ść

, 

wytrzymało

ść

 

i 

odporno

ść

 

na 

 

ś

cieranie. 

W stalach nadeutektoidalnych  otrzymuje  si

ę

  struktur

ę

  martenzytyczn

ą

  z  nierozpuszczonym 

cementytem. 
Satysfakcjonuj

ą

ce  efekty  hartowania  uzyskuje  si

ę

  w  stalach  o  wy

Ŝ

szych  zawarto

ś

ciach  w

ę

gla 

ni

Ŝ

 0,25%.  

Nie  jest  celem  hartowania  podwy

Ŝ

szenie  wytrzymało

ś

ci  stali  (osi

ą

gamy  to  innymi  drogami), 

gdy

Ŝ

 podniesienie  wytrzymało

ś

ci,  wi

ąŜ

e  si

ę

  z  jeszcze  wi

ę

kszym  zmniejszeniem  cech 

plastycznych stali. 

 

 

KONSTRUKCJE STALOWE 

13

 

 

Autor:          dr inŜ. S. Górski 
Copywriter:            Danka W. 

3.6.3. 

Odpuszczanie 

 

Jest 

to 

zabieg 

stosowany 

zasadniczo 

do 

przedmiotów 

uprzednio 

zahartowanych. 

Słu

Ŝ

y on polepszeniu  własno

ś

ci  plastycznych    przy  jednoczesnym  usuni

ę

ciu  napr

ęŜ

e

ń

 

pohartowniczych.  Warto

ść

  temperatury  odpuszczania  to  150  –  650°C,  czyli  zaw sze  poni

Ŝ

ej 

temperatury A1. 
Ju

Ŝ

  w  150°C  nast

ę

puj

ą

  pierwsze  zmiany  w  materiale  i  zale

Ŝ

nie  od  temperatury  rozró

Ŝ

nia 

si

ę

 odpuszczanie: 

 

-

  niskie (150 – 250°C) 

-

 

ś

rednie (250 - 450°C) 

-

  wysokie (450 - 650°C) 

 
Zale

Ŝ

nie  od  potrzeby  je

Ŝ

eli  b

ę

d

ą

  obci

ąŜ

enia  dynamiczne  czy  kwazi-dynamiczne  b

ę

dziemy 

odpuszczali wysoko do temperatury 650°C (zawsze ta  temperatura musi by

ć

 ni

Ŝ

sza od 723°C) 

 
 

3.6.4. 

Przesycanie 

 

Polega ono na nagrzaniu stali do temperatury, w której jeden b

ą

d

ź

 wi

ę

cej składników przechodzi 

do  roztworu  stałego  (bez  przemiany  alotropowej),  wygrzaniu  w  tej  temperaturze  i  nast

ę

pnie 

szybkim  ochłodzeniu.  W  stalach  mi

ę

kkich  usuwa  si

ę

  w  ten  sposób  cementyt  3-cio  rz

ę

dowy 

umieszczony na granicach ziaren ferrytu (cz

ęść

 mi

ę

kka stali). Stal  nagrzewa si

ę

 do temperatury 

600-680°C  wygrzewa  do  przegrzania  na  wskro

ś

  i  nast

ę

pnie  studzi  w  oleju.  Dzi

ę

ki  podgrzaniu 

cementyt rozpuszcza si

ę

 w ferrycie, a w skutek przyspieszonego chłodzenia, nie mo

Ŝ

e si

ę

 z niego 

wydzieli

ć

. Powstaje wiec przesycony ferryt, co powoduje, 

Ŝ

e stal jest bardziej mi

ę

kka i plastyczna. 

 
Ta  struktura  roztworu  stałego  nie  jest  jednak  trwała  i  łatwo  daje  si

ę

  wytraci

ć

  z równowagi. 

Wydzielanie si

ę

 z roztworu przesyconego, składnika przesycaj

ą

cego pod postaci

ą

 drobnej drugiej 

fazy nazywa si

ę

 starzeniem. 

 
Rozró

Ŝ

nia si

ę

: 

 

-

  starzenie naturalne –  przebiegaj

ą

ce przez dłu

Ŝ

szy okres czasu 

-

  starzenie sztuczne –  przez wy

Ŝ

arzanie starzej

ą

ce 

 

Obróbka 

cieplna 

składaj

ą

ca 

si

ę

 

z przesycania 

i 

nast

ę

pnie 

starzenia 

nosi 

nazw

ę

 

utwardzania dyspersyjnego  (wydzielania  składnika  twardego  ze  stali  mi

ę

kkiej  jako  drobnej 

drugiej fazy).  

 
 

3.6.5. 

Starzenie 

 

Starzenie  jest  to  zjawisko  wydzielania  si

ę

  składnika  przesycaj

ą

cego  z ferrytu.  Stal  zmienia  swe 

własno

ś

ci,  staje  si

ę

  twardsza,  bardziej  wytrzymała  lecz  jednocze

ś

nie  mniej  ci

ą

gliwa  i  krucha. 

Przyczyna  starzenia  le

Ŝ

y  w  zmiennej  rozpuszczalno

ś

ci  niektórych  ciał  w  ferrycie,  w  zale

Ŝ

no

ś

ci 

od temperatury. 

 

Ciałami starzej

ą

cymi s

ą

 tu: 

 

-

  w

ę

giel 

-

  azot 

-

  tlen 

 

Skłonno

ść

  do  starzenia  zwi

ę

ksza  si

ę

  po  przekroczeniu  granicy  plastyczno

ś

ci  na  zimno, 

czyli w przypadku 

zgniotu 

(cz

ęś

ciowym 

zniszczeniu 

siatki 

krystalicznej). 

W normalnej temperaturze 

proces 

starzenia 

naturalnego 

przebiega 

bardzo 

długo, 

jednak po podgrzaniu  do temperatury  250 – 350°C  pro ces  znacznie  si

ę

  przyspiesza  powoduj

ą

c 

pogorszenie jako

ś

ci stali. 

 

KONSTRUKCJE STALOWE 

14

 

 

Autor:          dr inŜ. S. Górski 
Copywriter:            Danka W. 

Ochrona  przed  starzeniem 

polega 

na 

zmniejszeniu 

zawarto

ś

ci 

składników, 

o zmiennej rozpuszczalno

ś

ci  w ferrycie,  czyli  tych  które  wchodz

ą

  i  wychodz

ą

  buforowo 

oraz na dodaniu  pierwiastków,  które  ł

ą

cz

ą

  si

ę

  chemicznie  z  ciałami  wywołuj

ą

cymi  starzenie, 

tworz

ą

c zwi

ą

zki bardziej rozpuszczalne w ferrycie, albo nie rozpuszczalne w nim.  

 
Tymi  pierwiastkami  zapobiegaj

ą

cymi  s

ą

  najcz

ęś

ciej  (czyli  te  pierwiastki,  które  s

ą

  stosowane 

dla uspokojenia stali): 
 

-

  mangan 

-

  krzem 

-

  tytan 

-

  aluminium 

 

Stal uspokojona za pomoc

ą

 glinu i krzemu w zasadzie nie wykazuje skłonno

ś

ci do starzenia.  

 
 
Podczas  spawania  temperatury  200  –  350°C  s

ą

  osi

ą

gane  w  znacznych  obszarach  elementów 

i tam mo

Ŝ

e nast

ą

pi

ć

 starzenie. Tam gdzie wyst

ę

puje du

Ŝ

o spawania w konstrukcji, nie ma mowy 

o zastosowaniu stali półuspokojonej. Wył

ą

cznie stosujemy stal uspokojon

ą

. 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

KONSTRUKCJE STALOWE 

15

 

 

Autor:          dr inŜ. S. Górski 
Copywriter:            Danka W. 

4. Charakterystyczne wła

ś

ciwo

ś

ci mechaniczne stali 

 

  Własno

ś

ci  mechaniczne,  s

ą

  to  cechy  zwi

ą

zane  z  wytrzymało

ś

ci

ą

  materiału  na  działanie  ró

Ŝ

nego 

rodzaju sił  zewn

ę

trznych, s

ą

 kryterialnymi  wielko

ś

ciami w doborze materiałów.   Poznanie   własno

ś

ci  

materiałów  nie  jest  wystarczaj

ą

ce  do  oceny  ich przydatno

ś

ci do okre

ś

lonego celu. Niezb

ę

dne jest 

tu  jeszcze  poznanie  wpływu  ró

Ŝ

nych  czynników,    np.    temperatury,    czasu,    sposobu    i    wielko

ś

ci  

obci

ąŜ

enia,  kształtu  i wymiarów przedmiotu, na zmiany tych własno

ś

ci.  

   
  Metody bada

ń

 własno

ś

ci mechanicznych mo

Ŝ

emy podzieli

ć

 na dwie grupy:  

 

-

  własno

ś

ci    technologiczne,    decyduj

ą

ce    o    przydatno

ś

ci    materiałów    do    okre

ś

lonej 

obróbki   

 

-

  własno

ś

ci  wytrzymało

ś

ciowe,  do  wyznaczania,  których  niezb

ę

dna  jest  znajomo

ść

 siły  

lub momentu  sił,  jako  jednej  z wielko

ś

ci mierzonych  podczas  badania. Wyniki bada

ń

 

s

ą

  wykorzystywane  przez  konstruktorów  w  procesie  projektowania  elementów 

konstrukcyjnych. 

 

4.1 Wytrzymało

ść

 stali: 

 
Wytrzymało

ść

    na    rozci

ą

ganie.  W  statycznej  próbie  rozci

ą

gania  znormalizowan

ą

  próbk

ę

  wykonan

ą

 

z badanego materiału o stałym przekroju 

o

S

 poddaje si

ę

 działaniu sił rozci

ą

gaj

ą

cych F skierowanych 

wzdłu

Ŝ

 osi pr

ę

ta. Wówczas w dowolnym przekroju prostopadłym do kierunku działania siły powstan

ą

 

napr

ęŜ

enia rozci

ą

gaj

ą

ce 

σ

 (sigma), których warto

ść

 oblicza si

ę

 wg wzoru  

  









=

2

0

mm

N

S

F

σ

 

 
  
Napr

ęŜ

enia  powoduj

ą

  wydłu

Ŝ

enie  wzgl

ę

dne  materiału  o  wielko

ść

 

ε

(epsilon)  

    

0

L

L

∆

=

ε

 

 
gdzie: 
 

L

∆

— przyrost długo

ś

ci próbki, 

0

L

 — długo

ść

 pomiarowa próbki. 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

KONSTRUKCJE STALOWE 

16

 

 

Autor:          dr inŜ. S. Górski 
Copywriter:            Danka W. 

4.1.1. 

Wykres zale

Ŝ

no

ś

ci napr

ęŜ

enia od odkształcenia stali 

 
 

 

 

e

R

  – 

fizyczna granica plastyczno

ś

ci (Fe/S0) 









=

2

0

mm

N

S

F

R

e

e

 

eH

R

– 

górna 

eL

R

 – 

dolna 

2

,

0

R

–  

umowna granica plastyczno

ś

ci, 

(przy 

%

2

,

0

=

ε

, gdy brak wyra

ź

nej) 

m

R

  – 

wytrzymało

ść

 na rozci

ą

ganie, 









=

2

0

mm

N

S

F

R

m

m

 

 

U

R

  – 

napr

ęŜ

enie zrywaj

ą

ce 









=

2

mm

N

S

F

R

U

U

U

 

 

E

   – 

moduł Younga (w zakresie liniowo-spr

ęŜ

ystym) 

 

[

]

MPa

E

ε

σ

∆

∆

=

 

 

KONSTRUKCJE STALOWE 

17

 

 

Autor:          dr inŜ. S. Górski 
Copywriter:            Danka W. 

 

 

  5 – 6 

 

 

    6 

 

 

          6 – 7 

 

 

      7 

 
 

0 – 1

 

- 

przyjmujemy jako lini

ę

 prost

ą

; ciało idealne 

 

1 – 2

 

- 

lekko krzywoliniowy, jednostkowy wzrost napr

ęŜ

e

ń

; towarzyszy mu wzrost 

ε

  

 

2 – 3

 

- 

dalsze zakrzywianie, wi

ę

ksza intensywno

ść

 

 

3 – 4 – 5 

- 

plastyczne płyni

ę

cie próbki

 

 
5 - 6

 

- 

okres  wzmocnienia  lub  samowzmocnienia  stali,  czyli  nast

ę

puje  na  nowo 

przywrócenie  zdolno

ś

ci  do  przenoszenia  wi

ę

kszych  obci

ąŜ

e

ń

.  Odkształcenia  zaczynaj

ą

  by

ć

 

bardzo du

Ŝ

e, do 20%. Stal do punktu 

5

 jest materiałem o modelu spr

ęŜ

ysto plastycznym.  

 

 

4.1.2. 

Opis 

 
W    pocz

ą

tkowym    okresie    rozci

ą

gania    przy    znacznym  wzro

ś

cie  warto

ś

ci    siły  obserwuje    si

ę

  

nieznaczny    przyrost    długo

ś

ci    próbki.    Powstaj

ą

ce    pod  wpływem  działania    siły    rozci

ą

gaj

ą

cej  

odkształcenia    maj

ą

    charakter    spr

ęŜ

ysty.    Je

Ŝ

eli  jednak  siła  wzro

ś

nie  ponad  pewn

ą

  warto

ść

,  

to pojawi

ą

 si

ę

 odkształcenia  trwałe. Znaczy  to,  

Ŝ

e  została  przekroczona  granica  spr

ęŜ

ysto

ś

ci  

i, 

Ŝ

e  w  materiale powstały  nie  tylko  odkształcenia  spr

ęŜ

yste,  lecz  równie

Ŝ

  i  odkształcenia 

plastyczne. 
 

Granic

ę

  spr

ęŜ

ysto

ś

ci   

sp

R

  okre

ś

la  teoretycznie  najwi

ę

ksza  warto

ść

 napr

ęŜ

enia, przy której 

nie wyst

ę

puje jeszcze odkształcenie trwałe  

 









=

2

0

mm

N

S

F

R

sp

sp

 

 

Wyznaczenie  w  praktyce  granicy  spr

ęŜ

ysto

ś

ci  jest  bardzo  trudne.  Z  tego  powodu  w    celu  

okre

ś

lenia    napr

ęŜ

e

ń

    powoduj

ą

cych    odkształcenia    trwałe  mo

Ŝ

na    posługiwa

ć

    si

ę

 

tzw. umown

ą

 granic

ą

    plastyczno

ś

ci,    wyznaczon

ą

    przy    odkształceniu    trwałym  wynosz

ą

cym 

0,2% dla stali twardej (0,01% dla stali mi

ę

kkiej)  z  wzoru: 

 









=

3

0

2

,

0

2

,

0

mm

N

S

F

R

 

 

 

KONSTRUKCJE STALOWE 

18

 

 

Autor:          dr inŜ. S. Górski 
Copywriter:            Danka W. 

Poczynaj

ą

c  od warto

ś

ci  siły  

e

F

  przyrostowi  długo

ś

ci  próbki  ze  stali mi

ę

kkiej  nie towarzyszy  

dalszy    wzrost    siły.    Przeciwnie,    czasem    obserwuje    si

ę

    jej    zmniejszenie. 

Tylko niektóre materiały    daj

ą

    na    wykresach    rozci

ą

gania    gwałtowne    załamanie  krzywej.  

Wiele materiałów    daje    wykresy,    na    których    zmiany    nachylenia    krzywej  nast

ę

puj

ą

  łagodnie, 

bez ostrych załama

ń

 (rys. 7b).  

 
Dla  wyznaczenia  umownej  granicy  plastyczno

ś

ci  dla  tych  materiałów  przyjmuje  si

ę

  tak

ą

 

warto

ść

 siły 

F

, przy której osi

ą

ga si

ę

  odkształcenie  trwałe  okre

ś

lonej  warto

ś

ci.   

 
Zwykle  przyjmuje  si

ę

  do  tego  celu warto

ść

 wydłu

Ŝ

enia trwałego wynosz

ą

c

ą

 0,2%, obliczon

ą

 

z zale

Ŝ

no

ś

ci 

 

%

100

0

⋅

∆

L

L

 

 

Po    przekroczeniu    napr

ęŜ

e

ń

    odpowiadaj

ą

cych    granicy    plastyczno

ś

ci    wydłu

Ŝ

enie  próbki 

wzrasta  znacznie,  mimo 

Ŝ

e  przyrosty  siły  s

ą

  niewielkie. W  pewnej  chwili  siła  osi

ą

ga    najwi

ę

ksz

ą

  

warto

ść

  

m

F

.  Od  tej  chwili  jej  warto

ść

  maleje  do  

u

F

,  kiedy  to nast

ę

puje  zerwanie  próbki.  

Pocz

ą

tkowo  próbka  wydłu

Ŝ

a  si

ę

  równomiernie.  Po osi

ą

gni

ę

ciu  najwi

ę

kszego  obci

ąŜ

enia  

m

F

  

w    pewnym    miejscu    próbki    zaczyna    si

ę

  tworzy

ć

  zw

ęŜ

enie  zwane  szyjk

ą

.  Dalsze  rozci

ą

ganie 

powoduje szybkie wydłu

Ŝ

enie si

ę

 próbki w miejscu zw

ęŜ

enia.  

 

Stosunek    siły 

m

F

    do    pierwotnego    przekroju    próbki 

0

S

    nazywa    si

ę

  wytrzymało

ś

ci

ą

 

na rozci

ą

ganie i oznacza symbolem 

m

R

 

 









=

2

0

mm

N

S

F

R

m

m

 

 

Na    podstawie    wyników    próby    rozci

ą

gania    mo

Ŝ

na    okre

ś

li

ć

    nie    tylko    wytrzymało

ś

ciowe  

własno

ś

ci  materiału,  lecz  równie

Ŝ

  i  plastyczne  (wydłu

Ŝ

enie  i przew

ęŜ

enie). 

Wzgl

ę

dne wydłu

Ŝ

enie procentowe  próbki po zerwaniu wyra

Ŝ

a si

ę

 stosunkiem przyrostu długo

ś

ci 

pomiarowej próbki do jej pierwotnej długo

ś

ci.  

 

%

100

%

100

0

0

0

⋅

−

=

⋅

∆

=

L

L

L

L

L

A

u

 

 

gdzie: 

 

u

L

 

– 

długo

ść

 pomiarowa po zerwaniu,  

0

L

 

– 

 pierwotna długo

ść

 pomiarowa. 

 
 

Przew

ęŜ

enie 

okre

ś

la 

stosunek 

ró

Ŝ

nicy 

powierzchni 

przekroju 

pocz

ą

tkowego 

próbki 

0

S

 i powierzchni 

u

S

,

 do przekroju pocz

ą

tkowego 

0

S

  

 

%

100

0

0

⋅

−

=

S

S

S

Z

u

 

 
 

Stal mi

ę

kka 

- 

stal  wykazuj

ą

ca  półk

ę

  plastyczna,  ma  wyra

ź

n

ą

  granice  plastyczno

ś

ci 

powoduj

ą

c

ą

  plastyczne  płyni

ę

cie.  Wydłu

Ŝ

enie  przy  zerwaniu  od  18  –  25,  30,  35  %. 

Przed zerwaniem wyst

ę

puj

ą

 odkształcenia, które s

ą

 widoczne, które s

ą

 sygnalizowane. 

 

KONSTRUKCJE STALOWE 

19

 

 

Autor:          dr inŜ. S. Górski 
Copywriter:            Danka W. 

Stal twarda 

- 

nie  posiada  półki  plastycznej,  jest  mniej  ci

ą

gliwa  i  ma  wy

Ŝ

sza 

wytrzymało

ść

  dlatego  wykres  musi  i

ść

  powy

Ŝ

ej  granicy  plastyczno

ś

ci  stali  mi

ę

kkiej. 

Wydłu

Ŝ

enie przy  zerwaniu  wynosi  od  7  –  14,  16%.  Nie  posiada  rezerwy  plastycznej 

na przemieszczenie, wydłu

Ŝ

enie, dostosowanie si

ę

. 

 
 

4.1.3. 

Definicje granic 

 
 

Definicj

ą

 granicy s

ą

 napr

ęŜ

enia!!! 

 
 

Granica  proporcjonalno

ś

ci   

H

σ

  (granica    stosowalno

ś

ci    prawa    Hooke'a      )      jest      to      taka 

graniczna  warto

ść

  napr

ęŜ

enia,    do  osi

ą

gni

ę

cia  której  przyrostom  wydłu

Ŝ

enia  jednostkowego 

odpowiadaj

ą

  proporcjonalne przyrosty napr

ęŜ

e

ń

, czyli: 

 

const

=

∆

∆

ε

σ

 

 

Oznacza  to,  

Ŝ

e wykres rozci

ą

gania jest do momentu osi

ą

gni

ę

cia granicy proporcjonalno

ś

ci  lini

ą

 

prost

ą

. 

 

Granica plastyczno

ś

ci 

–  

warto

ść

  napr

ęŜ

enia  po  osi

ą

gni

ę

ciu  którego  stal  wydłu

Ŝ

a  si

ę

 

w sposób  znaczny.  Górna  granica  plastyczno

ś

ci  stali  mi

ę

kkiej 

eH

R

  odpowiada  chwilowemu 

wzrostowi napr

ęŜ

enia, zanim jeszcze nast

ą

pi płyni

ę

cie plastyczne materiału. 

Po  osi

ą

gni

ę

ciu 

eH

R

  stal  odkształca  si

ę

  płyn

ą

c  plastycznie  bez  wzrostu  obci

ąŜ

enia. 

Tak si

ę

 dzieje przez 

pewien 

okres 

trudny 

do 

matematycznego 

zdefiniowania. 

Po okresie płyni

ę

cia, przemieszczania  si

ę

  ziaren,  kryształów,  przecinania,  niszczenia  siatki 

krystalograficznej,  nast

ę

puje  zakleszczenie,  zatrzymanie  tych  odkształce

ń

.  Stal  po  osi

ą

gni

ę

ciu 

pewnych  napr

ęŜ

e

ń

  wydłu

Ŝ

a  si

ę

,  płynie  i  nast

ę

puje  zahamowanie.  Stal  na  nowo  jest  zdolna 

do przeniesienia  nowych,  wi

ę

kszych  obci

ąŜ

e

ń

.  Granica  plastyczno

ś

ci    to  nie  jest  płyni

ę

cie  stali 

i wył

ą

czenie  si

ę

  z  no

ś

no

ś

ci.  Ona  płynie,  odkształca  si

ę

,  ale  pod  wpływem  wyst

ę

puj

ą

cych 

napr

ęŜ

e

ń

. Je

ś

li damy lekki impuls obni

Ŝ

enia nast

ą

pi zahamowanie. 

 
Pocz

ą

tek półki plastycznej 

wyst

ę

puje 

przy 

odkształceniu 

próbki 

od 

0,12 

– 

0,18%; 

koniec przy odkształceniu 1,5%.  
 
Granica plastyczno

ś

ci to napr

ęŜ

enie odpowiadaj

ą

ce odkształceniu. Jest to najwa

Ŝ

niejsza granica 

bowiem  do  niej  odnosimy  wszystkie  sprawy  obliczeniowe,  zarówno  w  zakresie  napr

ęŜ

e

ń

 

plastycznych, spr

ęŜ

ysto – plastycznych. 

 
Granica wytrzymało

ś

ci 

–  

jest  to  najwi

ę

ksze  napr

ęŜ

enie  przy  zerwaniu  próbki. 

Nast

ę

puje  szybkie  gwałtowne  przew

ęŜ

enie  próbki.  Je

ś

li  próbka  jest  okr

ą

gła  to  wchodzi 

w sferyczny układ walca.  
 

4.2 Udarno

ść

 stali 

 

Udarno

ść

 stali to odporno

ść

, wytrzymało

ść

 na uderzenia lub nagłe zginania. 

 
 

Udarno

ść

 zale

Ŝ

y od: 

 

-

  składu 

-

  wzajemnej relacji składników stali 

-

  temperatury (wraz ze spadkiem temperatury spada udarno

ść

) 

-

  spawania (wprowadza napr

ęŜ

enia pospawalnicze i obni

Ŝ

enie cech plastycznych) 

 

KONSTRUKCJE STALOWE 

20

 

 

Autor:          dr inŜ. S. Górski 
Copywriter:            Danka W. 

Zale

Ŝ

nie od sposobu obci

ąŜ

enia mo

Ŝ

na wyró

Ŝ

ni

ć

 udarowe: 

 

-

  rozci

ą

ganie 

-

 

ś

ciskanie  

-

  skr

ę

canie  

-

  zginanie 

 
 

4.2.1. 

Badanie udarno

ś

ci 

 

Wynik  badania  udarowego  zginania  nazywa  si

ę

  udarno

ś

ci

ą

.    Do  badania  stosuje  si

ę

  próbk

ę

 

w postaci  pr

ę

ta  o  przekroju  kwadratowym.  Na  jednym  z jej  boków  naci

ę

ty  jest  karb  ułatwiaj

ą

cy 

p

ę

kni

ę

cie  próbki  podczas  badania;  wymiary  próbki  oraz  wymiary  karbu  okre

ś

la  norma. 

Przyrz

ą

d do okre

ś

lania udarno

ś

ci nazywa si

ę

 młotem udarno

ś

ciowym. 

Najcz

ęś

ciej stosuje si

ę

-młot typu Charpy przedstawiony na rysunku.   

 
 

Młot udarnościowy Charpy`ego 

 

 

 

(rys. 7) 

1- próbka (10x10x55 mm), 

2 – wahadło,   

3 – podziałka,   

4- wskaźnik 

Próbka osłabiona jest karbem do gł

ę

boko

ś

ci 2 mm pod katem 45°. 

Jedna 

ś

ciana  jest  podci

ę

ta  (tylna)  młot  uderza  od  strony  nie  podci

ę

tej.  Młot  przechodzi,  łamie 

próbk

ę

  i  po  przej

ś

ciu  ró

Ŝ

nica  wysoko

ś

ci  decyduje  o  warto

ś

ci  pracy,  która  została  zu

Ŝ

yta 

na złamanie  próbki.  Udarno

ść

  okre

ś

lamy  poprzez  ubytek  energii  i  prace  potrzebna  zu

Ŝ

yta 

na złamanie próbki – tzw. próg udarno

ś

ciowy. 

 

 

4.2.2. 

Odmiany plastyczno

ś

ci 

 

Wg ISO stosuje si

ę

 nast

ę

puj

ą

ce odmiany plastyczno

ś

ci: 

 
A – dotyczy elementów nie badanych udarno

ś

ciowo 

B – 20°C 
C – 0°C 
D – -20°C 
E – -50°C 

 

 

KONSTRUKCJE STALOWE 

21

 

 

Autor:          dr inŜ. S. Górski 
Copywriter:            Danka W. 

Dla stali w

ę

glowych pospolitych jako

ś

ci próg udarno

ś

ciowy wynosi 35 J/cm

2

. 

Udarno

ść

  stali  zale

Ŝ

y  od  składu  chemicznego.  Zwi

ę

kszenie  w

ę

gla  daje  zwi

ę

kszenie  twardo

ś

ci 

i pogorszenie cech plastycznych. 

Spawanie obni

Ŝ

a udarno

ść

. Im wi

ę

cej w

ę

gla tym wi

ę

ksze trudno

ś

ci ze spawaniem. 

Zawarto

ść

 w

ę

gla w stalach mi

ę

kkich budowlanych 0,22-0,23%, w stalach twardych 0,07%. 

Dla  stali  niskostopowych  o  podwy

Ŝ

szonej  wytrzymało

ś

ci  mamy  podwy

Ŝ

szone  rygory  dla  progu 

udarno

ś

ciowego – 50 J/cm

2

 

 
AA – dotyczy elementów nie badanych udarno

ś

ciowo 

BB – 20°C 
CC – 0°C 
DD – -20°C 
EE – -50°C 
 
Dla stali o zastosowaniach w niskich temperaturach (dla stali kriogenicznych) stosujemy odmiany 
plastyczno

ś

ci: 

 
F – -80°C 
G – -120°C 
H – -160°C 
 
Poni

Ŝ

ej tych temperatur wytrzymuj

ą

 stopy aluminium (nawet do -240°C) 

 

4.3 Spawalno

ść

 stali: 

 
Nie ma stali niespawalnych. Ka

Ŝ

da stal jest spawalna, je

Ŝ

eli przez  spawanie rozumiemy roztopienie 

i zakrzepni

ę

cie; tworzy si

ę

 jednolity twór, który jest w stanie przenie

ść

 obci

ąŜ

enia. 

 
Mog

ą

  wyst

ę

powa

ć

  ró

Ŝ

ni

ą

ce  si

ę

  walory  danego  procesu  spawania.  Stale  normalne  przy  zwykłym 

spawaniu  b

ę

d

ą

  przyzwoicie  pracowały.  Spawalno

ść

  stali  o  wy

Ŝ

szych  wytrzymało

ś

ciach  b

ę

dzie 

utrudniona.  Stale  o  zdecydowanie  wy

Ŝ

szych  wytrzymało

ś

ciach  osi

ą

gn

ą

    nie  do  zaakceptowania 

warto

ś

ci obni

Ŝ

enia napr

ęŜ

e

ń

 i no

ś

no

ś

ci. 

 
Dla  poszczególnych  rodzajów  stali  opracowane  s

ą

  indywidualne  technologie  wykonywania  poł

ą

cze

ń

 

spawanych, dostosowanych do danego rodzaju stali. 
 
 

4.3.1. 

Warunki spawalno

ś

ci 

 

Spawalno

ść

 stali zale

Ŝ

y od: 

 

-

  składu stali 

 

Składniki stali, które polepszaj

ą

 spawanie: 

 

-

 

nikiel 

 

Składniki stali, które utrudniaj

ą

 spawanie: 

 

-

 

chrom 

-

 

molibden 

-

 

wanad 

-

 

w

ę

giel (najgorszy składnik – im wi

ę

cej w

ę

gla tym gorsza spawalno

ść

, 

tym bardziej pogarszaj

ą

 si

ę

 cechy plastyczne po spawaniu stali 

wysokow

ę

glowych i o wi

ę

kszej zawarto

ś

ci w

ę

gla) 

 

KONSTRUKCJE STALOWE 

22

 

 

Autor:          dr inŜ. S. Górski 
Copywriter:            Danka W. 

-

  grubo

ś

ci elementu 

 

Im  element  grubszy  tym  gorsza  spawalno

ść

.  Spawalno

ść

,  struktura,  uwłóknienie  pogarsza  si

ę

 

przy  grubo

ś

ciach  powy

Ŝ

ej  4  cm.    St

ą

d  ograniczenie  grubo

ś

ci  elementu  do  4  cm.  Im  grubszy 

element tym gorsze wła

ś

ciwo

ś

ci mechaniczne, nie za dobre walcowanie, inna udarno

ść

. 

 
 

4.3.2. 

Równowa

Ŝ

nik w

ę

gla 

 

Spawalno

ść

 opisywana jest przez równowa

Ŝ

nik w

ę

gla. Jest to 

E

C

,  w którym  zapisane s

ą

 ró

Ŝ

ne 

pierwiastki w stali o udziale ró

Ŝ

no – stopniowym. 

 
Zawarto

ść

 w

ę

gla w pełnym zapisie: 

 

C

C

E

=

 

%

22

C

  

C

C

E

22

,

0

=

 

 

-

  je

Ŝ

eli 

E

C

38

,

0

<

jest 

poni

Ŝ

ej 

0,38 

to 

stal 

jest 

łatwo 

spawalna 

(wszystkie zasadnicze  metody  spawania  b

ę

d

ą

  mo

Ŝ

liwe  do  zastosowania, 

pod warunkiem  odpowiedniej  grubo

ś

ci.  Te  same  walory  wytrzymało

ś

ciowe 

uzyskamy przy zwi

ę

kszonej grubo

ś

ci i zmniejszonym równowa

Ŝ

niku w

ę

gla). 

-

  je

Ŝ

eli 

E

C

(

)

42

,

0

;

38

,

0

∈

, to jest to stal spawalna z pewnymi ograniczeniami 

-

  je

Ŝ

eli 

E

C

42

,

0

>

, 

to 

jest 

to 

stal 

trudno 

spawalna. 

Wymaga indywidualnych technologii spawania: 

 

1)  ograniczenia mocy liniowej łuku 
2)  ograniczenia szybko

ś

ci przesuwu elektrody 

3)  wst

ę

pnego podgrzania kraw

ę

dzi 

 
 

2

15

5

,

,

6

H

Ni

Cu

V

Mo

Cr

Mn

C

C

E

+

+

+

+

+

=

 

 

Zarówno 

liczniki 

jak 

i 

mianowniki 

mog

ą

 

ulega

ć

 

zmianie. 

Ten zapis mo

Ŝ

e si

ę

 zmienia

ć

 dla ka

Ŝ

dej stali. 

 

4.4 Twardo

ść

 stali: 

 
Twardo

ść

 -  odporno

ść

 stali na wgniatanie twardego materiału (wgniatanie elementów diamentowych, 

w

ę

glikowych).  Wzrost  twardo

ś

ci  ł

ą

czy  si

ę

  ze  wzrostem  wytrzymało

ś

ci  (je

Ŝ

eli chodzi o skład 

chemiczny). Poprzez ocen

ę

 twardo

ś

ci dochodzimy do wytrzymało

ś

ci stali. 

Twardo

ść

 stali wzrasta wraz ze wzrostem ilo

ś

ci Cr, Mo, Ni, V i C, jednak te składniki pogarszaj

ą

 cechy 

plastyczne stali. Mo

Ŝ

emy j

ą

 zwi

ę

kszy

ć

 równie

Ŝ

 poprzez spawanie lub podhartowanie. 

Twardo

ść

 badamy metod

ą

 nie niszcz

ą

c

ą

 tzw. młotkiem Poldiego. Za jego pomoc

ą

 mo

Ŝ

emy stwierdzi

ć

 

jaka jest twardo

ść

 stali i z twardo

ś

ci przej

ść

 na wytrzymało

ść

.  

 
Dla stali w

ę

glowych:  

 

B

m

H

R

36

,

0

=

 

gdzie: 
 

 

m

R

 

– 

wytrzymało

ść

 na rozci

ą

ganie 

B

H

 

– 

twardo

ść

 Brinella 

 

KONSTRUKCJE STALOWE 

23

 

 

Autor:          dr inŜ. S. Górski 
Copywriter:            Danka W. 

Dla stali niskostopowych o du

Ŝ

ej zawarto

ś

ci chromu, niklu: 

 

B

m

H

R

34

,

0

=

 

 

Bada

ń

  nie  wolno  prowadzi

ć

  w  bezpo

ś

rednim  s

ą

siedztwie  spoin  i  w  odległo

ś

ciach  nie  mniejszych 

ni

Ŝ

 300  –  500  mm,  by  nie  powstało  miejscowe  podhartowanie  w  wyniku  wysokich  temperatur 

przy spawaniu. Nale

Ŝ

y je wykonywa

ć

 w miejscach rozrzuconych po obiekcie. 

Twardo

ść

 badamy poza stref

ą

 spawania w odległo

ś

ci 0,5 m lub wi

ę

cej, w kilku ró

Ŝ

nych miejscach. 

 

 
4.5 Odporno

ść

 stali na wysokie temperatury: 

 
 
4.5.1. 

Zachowanie stali w wysokiej temperaturze 

 

Stal  nale

Ŝ

y  do  materiałów  ognioochronnych,  a  nie  ognioodpornych  (nie  pali  si

ę

,  ale  znacznie 

zmienia  wła

ś

ciwo

ś

ci).  Dla  wi

ę

kszo

ś

ci  stali  budowlanych  przy  podgrzaniu  do  temperatury  500°C 

wytrzymało

ść

 stali spada o 50%. 

Pocz

ą

tkowo  przy  podgrzaniu  stali  do  100°C  -  300°C  wytrzy mało

ść

  stali  wzrasta  od  temperatury 

otoczenia,  by  potem  ulec  nagłemu  załamaniu  i  w  temp.  500°C  osi

ą

gn

ąć

  50%  wytrzymało

ś

ci 

(nie dotyczy to stali 

Ŝ

aroodpornych). 

Moduł spr

ęŜ

ysto

ś

ci  Young’a maleje od temperatury  otoczenia  w sposób prawie liniowy,  w całym 

zakresie  termicznym,  za

ś

  granica  plastyczno

ś

ci  ma  bardzo  podobny  przebieg  do  wytrzymało

ś

ci 

(powoli wzrasta, a potem maleje). 
Wydłu

Ŝ

enie stali do 200°C maleje, by po przekroczeniu 200 °C w sposób zdecydowany wzrasta

ć

 

i w temperaturze 700°C osi

ą

gn

ąć

 70% 













=

∆

%

70

l

l

 

 
 

4.5.2. 

Zabezpieczenie stali przed wysok

ą

 temperatur

ą

 

 

-

  Farby  p

ę

czniej

ą

ce,  powłoka  o  grubo

ś

ci  1  –  2  mm;  zabezpieczaj

ą

  konstrukcj

ę

 

w ten sposób, 

Ŝ

e p

ę

czniej

ą

c tworz

ą

 porowat

ą

 powłok

ę

, czyli warstw

ę

 izolacyjn

ą

. 

Zapewnia to ochron

ę

 20 – 30 min. 

-

  stosowanie obmurowania z cegły zwykłej, klinkierowej (na zaprawie cementowej) 

szamotowej (na zaprawie szamotowej). 

-

  obetonowanie 

Warstwa  3cm  betonu  (na  siatce)  daje  odporno

ść

  1h,  stosuje  si

ę

  te

Ŝ

  natryski 

z włóknem  szklanym  na  bazie  gipsu.  Cz

ę

sto  na  główne  elementy  no

ś

ne  stosuje 

si

ę

 wła

ś

nie powłoki betonowe lub po prostu słupy 

Ŝ

elbetowe. 

-

  okładziny suche na bazie gipsu (kiedy

ś

 na włóknie azbestowym) 

-

  obudowy prefabrykowane z płyt głównie na bazie gipsu; gips wytrzymuje wysokie 

temperatury,  chroni  stal  w  sposób  wła

ś

ciwy;  obudowy  te  nie  daj

ą

  reakcji 

chemicznych 

-

  ograniczenie mo

Ŝ

liwo

ś

ci wyst

ą

pienia po

Ŝ

aru 

-

  wyposa

Ŝ

enie w materiały trudnopalne o małej kaloryczno

ś

ci 

-

  stosowanie osłon zabezpieczaj

ą

cych przed naporem gor

ą

cych mas powietrza  

(np.  malowanie  farbami  ognioochronno-p

ę

czniej

ą

cymi,  zabezpieczenie  do  20, 

30 min) 

 
 
 
 
 
 
 

 

 

KONSTRUKCJE STALOWE 

24

 

 

Autor:          dr inŜ. S. Górski 
Copywriter:            Danka W. 

4.6 Korozja stali 

 
Korozja 

– 

proces  niszczenia  stali  (  i  nie  tylko).  Walka  z  korozj

ą

  jest  bardzo  droga 

(kwoty na walk

ę

 z korozja s

ą

 to drugie, po zbrojeniach, kwoty wydawane na 

ś

wiecie). 

 
 
4.6.1. 

Teorie korozji 

 

W

ś

ród wielu teorii korozji (niszczenia) dla stali najpopularniejsze s

ą

 trzy:  

 

1)  korozja w wyniku działania kwasu w

ę

glowego 

2)  korozja w wyniku zmian elektrochemicznych  
3)  korozja w wyniku zmian czysto chemicznych  

 
Najwi

ę

cej  zniszcze

ń

  powoduje  korozja  atmosferyczna,  któr

ą

  najlepiej  opisuje  teoria  zmian 

elektrochemicznych  (na  poziomie  dzisiejszego  rozpoznania  zagadnie

ń

).  Podlega  jej  90% 

konstrukcji.  Wg  niej  niechroniona  powierzchnia  stali  składa  si

ę

  z du

Ŝ

ej  liczby  mikroogniw 

galwanicznych. Cz

ą

steczki 

Fe

 s

ą

 anodami, a pozostałe jak mikroskładniki stali, tlenki, zgorzelina, 

zendra,  rdza,  wysady  w

ę

glikowe  i  inne  zanieczyszczenia  stanowi

ą

  katody.  Dla  działania  ogniwa 

galwanicznego potrzebny jest elektrolit. Elektrolitem jest wilgo

ć

 atmosferyczna. 

Cz

ą

steczki 

Fe

  rozpadaj

ą

  si

ę

  w  elektrolicie  na  kation 

−

2

Fe

i  2  elektrony.  Aniony 

–

  przyci

ą

gane 

s

ą

 przez  stal  i  szybko  utworzyłyby  warstw

ę

  ochronn

ą

,  gdyby  nie  to, 

Ŝ

e  z  kolei  na  katodzie 

nast

ę

puje  rozpad  drobin  wody  na 

−

OH

2

i 

+

H

2

.  Kationy 

Fe

  ł

ą

cz

ą

  si

ę

  z 

−

OH

2

  i  tworz

ą

 

2

)

(OH

Fe

,    w postaci  jasnego  nalotu  na  anodzie  (surowat  rdzy).  Chwilow

ą

  równowag

ę

 

na anodzie  niszcz

ą

  atomy  tlenu,  rozpuszczonego  w  elektrolicie,  powietrza,  ł

ą

cz

ą

  si

ę

  one  z 

+

H

 

i tworz

ą

 nowe grupy wodorotlenowe 

−

OH

. Te za

ś

 w poł

ą

czeniu z 

2

)

(OH

Fe

 tworz

ą

 

3

)

(OH

Fe

 

– ciemn

ą

 rdz

ę

 odstaj

ą

c

ą

 ju

Ŝ

 od metalu i bardzo porowat

ą

 (obj

ę

to

ść

 kilka razy wiesza od obj

ę

to

ś

ci 

surowców wyj

ś

ciowych). I tak koło si

ę

 zamyka. Rdza jest doskonał

ą

 katod

ą

 w zderzeniu z anod

ą

, 

czyli cz

ą

steczkami 

Fe

 powoduje spot

ę

gowanie procesu korozyjnego.  

 
Rdza – mieszanina tlenków i wodorotlenków. 
 
4.6.2. 

Rodzaje korozji 

 

-

  wodn

ą

 – zwłaszcza na styku woda – powietrze  

-

  ziemn

ą

  

-

  w  wyniku  działania  pr

ą

dów  bł

ą

dz

ą

cych  (nihilizacja  stalowych  konstrukcji, 

elementów stalowych) 

-

  chemiczna  

-

  napr

ęŜ

eniowa  

-

  mi

ę

dzykrystaliczna 

 
Ostatnie  dwie  s

ą

  szczególnie  niebezpieczne,  bez  oznak  niszczenia.  Proces  polega  na  kruchym 

p

ę

kaniu stali, na wytworzeniu warunków do kruchego p

ę

kni

ę

cia. S

ą

 to działania w wyniku zmian 

pól  energetycznych  w  rozci

ą

ganym  materiale  (dzieje  si

ę

  to  przy  materiale  wysoko  wyt

ęŜ

onym), 

tworz

ą

  si

ę

  ostrza  elektromagnetyczne  które  przecinaj

ą

  kryształy,  ziarna.  Nast

ę

puje  kruche 

p

ę

kni

ę

cie.  Obie  korozje  wynikaj

ą

  z  ró

Ŝ

nych  przyczyn.  Korozja  napr

ęŜ

eniowa  wynika  ze  składu 

materiału; skład chemiczny przy ró

Ŝ

nych poziomach napi

ę

cia b

ę

dzie powodował ro

Ŝ

ne wpływy.  

 
 

4.6.3. 

Zabezpieczenia antykorozyjne konstrukcji stalowych 

 

-

  Stosowanie stali nierdzewnych (nie koroduj

ą

 w normalnych warunkach; s

ą

 drogie) 

-

  Zwi

ę

kszanie 

odporno

ś

ci 

korozyjnej 

poprzez 

dodatek 

miedzi 

(zmniejsza wytrzymało

ść

 stali) 

-

  Zabezpieczanie powłokami: 

 

KONSTRUKCJE STALOWE 

25

 

 

Autor:          dr inŜ. S. Górski 
Copywriter:            Danka W. 

•

 

Metalizacja  –  nakładanie  powłok  metalicznych  (cynkowanie,  aluminiowanie, 
kadmowanie) 

 

•

 

Powłoki  z  tworzyw  sztucznych  odpowiednich  do 

ś

rodowiska  pracy,  powłoki 

gumowe 

 

•

 

Powłoki lakiernicze – farby – jednak powłoki te powinny by

ć

 dwuwarstwowe.  

Pierwsza powłoka składa si

ę

 z 2-3 warstw podkładowych stanowi

ą

cych wła

ś

ciwe 

zabezpieczenie przed korozj

ą

. S

ą

 to farby na bazie minii ołowianej lub cynkorów 

i cynkanów.  S

ą

  to  farby  pasywuj

ą

ce  podło

Ŝ

e,  które  musz

ą

  si

ę

  charakteryzowa

ć

 

bardzo du

Ŝą

 przyczepno

ś

ci

ą

 do podło

Ŝ

a. 

 
Druga  powłoka  –  farby  nawierzchniowe  (2-3  warstwy),  najcz

ęś

ciej  olejne, 

chlorokauczukowe i podobne, kompatybilne z podkładem; stanowi

ą

 ochron

ę

 farb 

podkładowych  przed  uszkodzeniem  mechanicznym  i  bezpo

ś

rednim  działaniem 

korozji chemicznej. 

 

 

Ka

Ŝ

da  kolejna  warstwa  powinna  by

ć

  nakładana  po  całkowitym 

wyschni

ę

ciu  poprzedniej  (im  grubsza  warstwa  tym  wi

ę

kszy  skurcz  – 

powstaj

ą

 p

ę

kni

ę

cia) 

 

 

Malowanie  powinno  odbywa

ć

  si

ę

  w  hermetycznie  zamkni

ę

tym 

pomieszczeniu,  w stałej  temperaturze,  stałej,  mo

Ŝ

liwie  najni

Ŝ

szej 

wilgotno

ś

ci powietrza 

 

 

Ka

Ŝ

da  z  warstw  powinna  by

ć

  w  innym  kolorze,  w  okre

ś

lonej  ilo

ś

ci 

i rodzaju farby (podanym przez projektanta).. 

 

 

Grubo

ść

 pojedynczej warstwy wynosi 30 – 35 mikrometrów 

 

 

Sumaryczna  grubo

ść

  warstw  wynosi  150  –  200  mikrometrów 

przy 6 warstwach 

 

 

Najlepsza temperatura do nakładania powłok wynosi od 18 - 20°C 

 
Dobrze wykonane powłoki zabezpieczaj

ą

 nawet na 20 lat. 

 
 

4.6.4. 

Stopnie oczyszczenia powierzchni malowanych 

 

I stopie

ń

  –  (najwy

Ŝ

szy  st.  czysto

ś

ci)  –  uzyskiwany  przez   

ś

rutowanie  lub  piaskowanie; 

powierzchnia jednolita, metaliczna, srebrzysta;  

 

II stopie

ń

  –  uzyskiwany  przez  nie  do  ko

ń

ca  doprowadzone   

ś

rutowanie  i  piaskowanie 

w poł

ą

czeniu  z czyszczeniem r

ę

cznym i opalaniem; powierzchnia mo

Ŝ

e by

ć

 matowa, 

szara,  a  nawet  brunatno-szara  jednak  bez  rdzy,  zgorzeliny,  zendry  i  innych 
zanieczyszcze

ń

.  

Dopuszcza  si

ę

  miejscowe  wyst

ę

powanie  szarych  tlenków  silnie  przylegaj

ą

cych 

do podło

Ŝ

a  (max  10%,  powierzchni,  powierzchnia  pojedynczej  plamki  nie  wi

ę

ksza 

ni

Ŝ

 0,2 cm

2

 ); powierzchnia poci

ą

gni

ę

ta suchym p

ę

dzlem nie mo

Ŝ

e pyli

ć

 

 

III stopie

ń

  –  czyszczenie mechaniczno-r

ę

czne; powierzchnia niejednolita, brunatno - szara, 

ale bez rdzy i zgorzeliny lu

ź

no przylegaj

ą

cej do podło

Ŝ

a. 

Dopuszczalne miejscowe plamy zgorzeliny silnie przylegaj

ą

cej. 

 
 
 
 

 

KONSTRUKCJE STALOWE 

26

 

 

Autor:          dr inŜ. S. Górski 
Copywriter:            Danka W. 

5. Stale stosowane w budownictwie 

 

5.1 Rodzaje stali 

 

1)  Stale 

w

ę

glowe 

zwykłej 

jako

ś

ci 

(St30) 

– 

na 

elementy 

niewymiarowane 

(drugo i trzeciorz

ę

dne) i w obiektach tymczasowych, na małe obci

ąŜ

enia 

 

2)  Stale  w

ę

glowe  wy

Ŝ

szej  jako

ś

ci  –  to  głównie  stale  grupy  St3  (St3S  –  uspokojona,  St3SX  – 

nieuspokojona, St3SY – półuspokojona, St3V, St3W)  

 
3)  Stale  mi

ę

kkie  budowlane  –  stale  grupy  St4  (St4W, St4V,  St4VX,  St4VY)  –  wykazuj

ą

  półk

ę

 

plastyczn

ą

.  

 
4)  Stale  niskostopowe  o  podwy

Ŝ

szonych  i  wysokich  wytrzymało

ś

ciach  –  to  głównie  stale 

z grupy  15G(15GA,  15GAV,  15G2VA)  oraz  grupy  18G(18G2,  18G2A,  18G2AV,  18G2VA)  - 
charakteryzuj

ą

 si

ę

 pewnymi ograniczeniami zwi

ą

zanymi z udarno

ś

ci

ą

  

 

5)  Stale  wieloskładnikowe  –  (13  HNMBCU,  14  HNMBCU)  –  stale  wysokich  wytrzymało

ś

ci 

(powy

Ŝ

ej 700 MPa; 2,5÷3,5 razy wytrzymalsze od zwykłych)  

 
6)  Stale  o  podwy

Ŝ

szonej  odporno

ś

ci  na  korozj

ę

  –  odpowiedniki  stali  COR  –  TEN 

(za granic

ą

),  10H  (w  Polsce);  koroduj

ą

  w  ten  sposób, 

Ŝ

e  szybko  tworz

ą

  warstwy  tlenków 

(co

ś

 w  rodzaju  patyny  na  miedzi);  dobra  ochrona  przed  korozj

ą

  elektrochemiczn

ą

 

(nie mo

Ŝ

e wyst

ą

pi

ć

 

ś

cieranie konstrukcji, bo korozja wchodzi w gł

ą

b) 

 

Stale specjalne 
St2N, St44N 

 – stosowane na nity, 

St3M    

 – stosowane na mosty, o zmiennej dynamice 

St44GS, 60GS   
D90 

 

 – stal wysokow

ę

glowa, (wytrzymało

ść

 do 240 kN/cm2 – 10 razy 

    wytrzymalsza od zwykłej; na struny do spr

ęŜ

ania), 

45S  

 

 – stal wysokokrzemowa – w drutach o 

∅

1,2 – 1,5 mm, dobra wytrzymało

ść

 

 

7)  Stale 

Ŝ

aroodporne  

 
8)  Stale kwasoodporne   –  stal  gorzej  spawalna,  bardziej  wytrzymała,  o  wi

ę

kszej  krucho

ś

ci 

im wi

ę

kszy udział granicy plastyczno

ś

ci na rozci

ą

ganie 

 
 

5.2 Walcowanie 

 
Walcowanie ulepsza struktur

ę

 (staje si

ę

 włóknista). Ok. 90% stali idzie do obróbki walcowniczej: 

 

-

  Walcowania na gor

ą

co 

-

  Walcowania na zimno 

 
 

5.2.1. 

Produkcja walcownicza na gor

ą

co 

 

-

  Pr

ę

ty okr

ą

głe  – 

o 

∅

  5,5  –  150  mm  najcz

ęś

ciej  stosowane  na  nity,  sworznie, 

wieszaki, 

ś

ci

ą

gi; długo

ść

 walcowania tych elementów wynosi od kilku do 15m 

-

  Płaskowniki 

 

– 

walcowane  w  szeroko

ś

ciach  od  20  –  150  mm, 

przy grubo

ś

ciach od 60 – 400 mm; walcowane jednokierunkowo, płaszczyzny boczne 

w płaskownikach najcz

ęś

ciej nie s

ą

 proste (

ś

cianki na ko

ń

cach s

ą

 lekko zaokr

ą

glone) 

-

  Blachy uniwersalne 

– 

przekroje 

o 

szeroko

ś

ciach 

151÷700 

mm. 

Walcowane w  dwóch  kierunkach,  o  przekroju  prostok

ą

tnym  poprawionej  strukturze, 

uwłóknionej 

budowie, 

a 

zatem 

o 

podwy

Ŝ

szonej 

wytrzymało

ś

ci. 

Produkowane w długo

ś

ciach do 14 m. Stosowane na pasy ci

ęŜ

kich kratownic 

 

KONSTRUKCJE STALOWE 

27

 

 

Autor:          dr inŜ. S. Górski 
Copywriter:            Danka W. 

-

  Kształtowniki: 

 

•

 

k

ą

townik 

-

  równoramienny 

(szeroko

ś

ci obu półek takie same), 

-

  nierównoramienny 

(o stosunku boków 1:2, 2:3) 
 

To najpopularniejsze kształtowniki stosowane w konstrukcjach budowlanych. 
Walcuje si

ę

 od 15x15 mm do 200x200 mm. 

(do 70 mm – co 5 mm, powy

Ŝ

ej 70 mm – co 10 mm, od 160 do 200mm – co 20 mm) 

 

•

 

dwuteowniki 

 

-

  PN 

– 

zwykły 

-

  PE 

– 

równoległo

ś

cienny; 

daje du

Ŝą

 swobod

ę

 ł

ą

czenia w

ę

złów 

-

  Grey’a  – 

szerokostopowe 

-

  HEB 

– 

Painerowskie szerokostopowe; 

 

wysoko

ść

 = szeroko

ść

 pasów; 

gdy 

wysoko

ść

 

jest 

wi

ę

ksza 

ni

Ŝ

 

300mm 

(ro

ś

nie do 1000  –1200mm),  wtedy szeroko

ść

  pasów 

jest stała i równa 300mm 
 

-

  HEM 

– 

o jeszcze grubszych pasach i 

ś

rodnikach ni

Ŝ

 HEB 

-

  HEA 

– 

szerokostopowe, smuklejsze od HEB 

-

  HEAA  – 

podwójnie pocieniane z HEB-ów 

 
 

Ś

rodnik  powinien  przenosi

ć

  50%  momentu  zginaj

ą

cego  w elemencie  zginanym; 

mimo, 

Ŝ

e zdolno

ść

 pasów mo

Ŝ

e by

ć

 90%; 

Ś

rodnik przenosi cało

ść

 siły poprzecznej. 

 
 

ś

rodnika

smuklosc

ś

rodnika

grubosc

ś

rodnika

wysokosc

_

_

_

=

 

 

 

•

 

ceowniki  – 

produkowane w wysoko

ś

ciach do 330 mm, tak

Ŝ

e jako 

pocienione i ekonomiczne; 
słu

Ŝą

 jako elementy składowe do tworzenia elementów 

 

-

  normalny  

-

  równoległo

ś

cienny 

 

•

 

zetownik  – 

stosowany na płatwie zginane; pełn

ą

 no

ś

no

ść

 wykorzystuje 

si

ę

, gdy obci

ąŜ

enie b

ę

dzie w 

ś

rodku 

ś

cinania 

 

•

 

szyny kolejowe 

 

-

  S49 

 

 

– 

w

ą

skotorowe 

-

  S60 

 

 

– 

normalnotorowe 

-

  SD 75 (80,100)  

– 

szyny specjalne; 
walcowane na skład 

 

KONSTRUKCJE STALOWE 

28

 

 

Autor:          dr inŜ. S. Górski 
Copywriter:            Danka W. 

 

 
 
 

 

k – szeroko

ść

 główki szyny 

 

 

h – wysoko

ść

 szyny (dla SD 100 h=100 mm) 

 
 

•

 

blachy 

– 

walcujemy w 2 rodzajach: 
Cienkie – do 5 mm grubo

ś

ci, 

Grube  – 5 – 100 mm grubo

ś

ci (na skład) 

 

Walcujemy  w  arkuszach  o  szeroko

ś

ci  1  –  3,5m  i  długo

ś

ci  3,5  –  16  m  zale

Ŝ

no

ś

ci 

od szeroko

ś

ci.  Walcuje  si

ę

  blachy  jednostronnie  chropowate,  tworzy  si

ę

  blachy 

Ŝ

eberkowe (

Ŝ

eberka wystaj

ą

 na 1,2 – 1,8 mm) lub nawalcane łezki. 

 

•

 

rury 

– 

Rury walcowane bezszwowo, na gor

ą

co; 

Ś

rednice zewn

ę

trzne 

∅

 20 –508 mm; 

Mog

ą

  mie

ć

  przekrój  prostok

ą

tny  o  bokach  do  300  mm 

i wi

ę

kszych. 

 
 

5.2.2. 

Produkcja hutnicza: 

 

-

  Belki dwuteowe KKS, PB o szeroko

ś

ci pasów do 500 mm 

-

  Wyra

ź

nie tłoczone np.  blachy nieckowe, faliste, fałdowe, 

Ŝ

eberkowe 

-

  Wyroby zimno-gi

ę

te; grubo

ś

ci 

ś

cianek 2 mm, 2,5 mm, 3 mm. 

W  belkach  i  słupach  przekrój  dostosowany  jest  do  potrzeb  funkcjonalnych 
i wytrzymało

ś

ciowych, s

ą

 racjonalne pod wzgl

ę

dem zu

Ŝ

ycia materiału (nawet do 40 % 

w układzie  kratownicowym).  Koszt  wytworzenia  jest  wi

ę

kszy.  Odporno

ść

  ogniowa 

i korozyjna znacznie mniejsza. Wyroby te s

ą

 słabe na obci

ąŜ

enia dynamiczne. 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

KONSTRUKCJE STALOWE 

29

 

 

Autor:          dr inŜ. S. Górski 
Copywriter:            Danka W. 

6. Wymiarowanie konstrukcji 

 

6.1 Zasady wymiarowania 

 
Wymiar to pewien kompromis mi

ę

dzy mo

Ŝ

liwie najwi

ę

kszym bezpiecze

ń

stwem, a ekonomik

ą

 budowli. 

Wymiarowanie obejmuje w zasadzie dwie czynno

ś

ci: 

 

-

  Obliczenie  sił  wewn

ę

trznych,  napr

ęŜ

e

ń

  normalnych 

σ

  oraz  odkształce

ń

 

ε

, 

okre

ś

lenie własno

ś

ci wytrzymało

ś

ciowych materiału. 

-

  Okre

ś

lenie przekrojów elementów gwarantuj

ą

cych wymagane bezpiecze

ń

stwo. 

Rozpatruje  si

ę

  kilka  schematów  statycznych,  przyjmuj

ą

c  mo

Ŝ

liwie  jak  najkorzystniejszy, 

mo

Ŝ

na stosowa

ć

 układy płaskie jak i przestrzenne. 

 
Okre

ś

la  si

ę

  warto

ść

  podparcia  i  zamocowania  i  wymiaruje  elementy  stalowe 

przy uwzgl

ę

dnieniu trzech to

Ŝ

samych warunków, o takiej samej randze: 

 

-

  Wytrzymało

ść

 

-

  Sztywno

ść

 

-

  Stateczno

ść

: miejscowa i ogólna 

 
 
Obliczenia  statyczne  przeprowadza  si

ę

  zgodnie  z  zasadami  Mechaniki  Budowli  i  Wytrzymało

ś

ci 

Materiałów 

w 

oparciu 

o ró

Ŝ

ne 

metody 

wymiarowania. 

Aktualnie 

stosuje 

si

ę

 

metod

ę

 

tzw. stanów granicznych. 
 
Metoda  stanów  granicznych  polegałaby  na  okre

ś

leniu  obci

ąŜ

e

ń

  niszcz

ą

cych  i  opracowania  do  nich 

okre

ś

lonych współczynników bezpiecze

ń

stwa. 

 
 

6.1.1. 

Metoda oparta na napr

ęŜ

eniach dopuszczalnych 

 

Okre

ś

lano  je  jako  jaki

ś

  procent  granicy  plastyczno

ś

ci.  Napr

ęŜ

enia  dopuszczalne  ustalono 

na poziomie: 
 

m

R

e

 

 
gdzie: 
 

m

 

– 

współczynnik pewno

ś

ci (przyj

ę

to poni

Ŝ

ej granicy plastyczno

ś

ci, 

ś

rednio ok. 1,4 – 1,6) 

 
 
Przyj

ę

to: 

e

gran

R

87

,

0

=

σ

 

 

Zatem pozostaje tylko 13% no

ś

no

ś

ci. 

  
 

6.1.2. 

Metoda tzw. stanów granicznych 

 

d

f

 – napr

ęŜ

enia obliczeniowe, s

ą

 nieco ni

Ŝ

sze ni

Ŝ

 w metodzie napr

ęŜ

e

ń

 dopuszczalnych 

dop

σ

.

 

Teraz współczynniki obci

ąŜ

enia dla wiatru 

ś

niegu itp. s

ą

 wy

Ŝ

sze od 1,1 – 1,5. Podwy

Ŝ

szono tak

Ŝ

e 

współczynniki  aerodynamiczne  bardziej  dokładnie  uwzgl

ę

dnia  si

ę

  zró

Ŝ

nicowanie  obci

ąŜ

e

ń

, 

dopuszcza  si

ę

  wyst

ą

pienie  w  niektórych  obiektach  napr

ęŜ

e

ń

  i  odkształce

ń

  plastycznych. 

Zakres plastyczny jest uwzgl

ę

dnieniem tego co by si

ę

 stało, gdyby napr

ęŜ

enia były wi

ę

ksze. 

 

 

KONSTRUKCJE STALOWE 

30

 

 

Autor:          dr inŜ. S. Górski 
Copywriter:            Danka W. 

6.2 Analiza no

ś

no

ś

ci z dopuszczeniem odkształce

ń

 plastycznych 

 
 
W  wyniku  przyło

Ŝ

enia  obci

ąŜ

enia  nast

ę

puje  uplastycznienie  przekrojów  podporowych  (tzn.  tych, 

które maj

ą

 rozkład obci

ąŜ

enia), których moment wzrasta z intensywno

ś

ci

ą

 

12

2

ql

, a w prz

ęś

le 

24

2

ql

. 

Utworzenie  dwóch  przegubów  plastycznych  na  ko

ń

cach  belki  (w  utwierdzeniu  w  murze,  czy  innych 

elementach  stalowych)  wcale  nie  oznacza  zniszczenia  belki  (belka  zmienia  tylko  swój  schemat 

statyczny),  jest  belk

ą

  swobodnie  podpart

ą

,  na  nadwy

Ŝ

k

ę

  obci

ąŜ

enia  (ale  belk

ą

  swobodnie  podpart

ą

 

z zaczepionymi  na  ko

ń

cach  tej  belki  momentami  maksymalnymi  –  momentami  przegubu 

plastycznego). 

Z  t

ą

  chwil

ą

  jednak,  intensywno

ść

  przyrostu  momentu  prz

ę

słowego  wzrasta  do 

8

2

ql

  ,czyli  jak  belka 

swobodnie podparta.  

Przekroje  uplastycznione,  czyli  podporowe  nie  s

ą

  w  stanie  przej

ąć

  nic  wi

ę

cej,  bo  nast

ę

puje  w  nich 

plastyczne płyni

ę

cie. W zwi

ą

zku z tym cało

ść

 momentu musi by

ć

 przekazana przez belk

ę

 swobodnie 

podpart

ą

  i  dlatego  moment  w 

ś

rodku  b

ę

dzie  wzrastał  z  intensywno

ś

ci

ą

  trzy  razy  wi

ę

ksz

ą

 

ni

Ŝ

 na pocz

ą

tku z 

24

2

ql

 na 

8

2

ql

. 

Zale

Ŝ

nie od zakresu uplastycznienia zmienia si

ę

 zakres zmiany przyrostu momentu prz

ę

słowego. 

Z  chwil

ą

  wej

ś

cia  skrajnych  włókien  na  podporach  w  napr

ęŜ

enia  plastyczne,  zacznie  si

ę

  zmienia

ć

 

układ na 

23

2

ql

,

22

2

ql

 … a

Ŝ

 dojdzie przy pełnych przegubach plastycznych na podporach do 

8

2

ql

. 

 
Zniszczenie  belki  nast

ą

pi  z  chwil

ą

  wyst

ą

pienia  przegubu  plastycznego  w 

ś

rodku,  tzn.  powstania 

ła

ń

cucha  kinematycznego.  Miar

ą

  mo

Ŝ

liwo

ś

ci  wyst

ą

pienia  uplastycznienia,  b

ę

dzie  mo

Ŝ

liwo

ść

 

odci

ąŜ

enia  i  kolejnych  cykli  obci

ąŜ

enia,  które  b

ę

d

ą

  sprawne  dla  konstrukcji.  Przy  kolejnych  cyklach 

obci

ąŜ

enia  po  uprzednim  odci

ąŜ

eniu,  nast

ę

puje  pogorszenie  stabilizacji  odkształce

ń

  trwałych, 

zwi

ę

kszenie  ich  narastania.  Po  kilku  cyklach  obci

ąŜ

enia  nast

ą

pi  zniszczenie  elementu,  tzw.  p

ę

tla 

histerezy. 
 
Spr

ęŜ

ysto  –  plastyczn

ą

  rezerw

ę

  mo

Ŝ

na  wykorzysta

ć

  jako  rezerw

ę

  no

ś

no

ś

ci  w  obiektach  ju

Ŝ

 

istniej

ą

cych. Nie mo

Ŝ

na jednak dopu

ś

ci

ć

 do zakresu spr

ęŜ

ysto – plastycznego w przypadku obci

ąŜ

e

ń

 

dynamicznych.  Przekroje  te  musz

ą

  by

ć

  odpowiednio  sztywne  ,czyli  w  zasadzie  odpowiada

ć

  klasie  I, 

odpowiednio  kr

ę

pe,  nie  wra

Ŝ

liwe  na  lokaln

ą

  utrat

ę

  stateczno

ś

ci,  a  pozwalaj

ą

ce  na  wyst

ą

pienie 

pełnego przegubu plastycznego z redystrybucj

ą

 sił wewn

ę

trznych. 

 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

KONSTRUKCJE STALOWE 

31

 

 

Autor:          dr inŜ. S. Górski 
Copywriter:            Danka W. 

6.2.1. 

Schemat 

 

 

(rys. 9) 

Przyło

Ŝ

enie  obci

ąŜ

enia  powoduje, 

Ŝ

e  momenty  podporowe  rosn

ą

  2  razy  szybciej  ni

Ŝ

  momenty 

prz

ę

słowe. 

 

 

 

(rys. 10) 

Włókna skrajne wył

ą

czaj

ą

 si

ę

 z pracy na nadwy

Ŝ

k

ę

 obci

ąŜ

enia. 

 

 

 

(rys. 11) 

Doj

ś

cie do przegubu plastycznego, wytworzy si

ę

 tylko na podporach, a w 

ś

rodku belki napr

ęŜ

enia 

nie przyrosn

ą

 za du

Ŝ

o (dwa razy wolniej). 

 

KONSTRUKCJE STALOWE 

32

 

 

Autor:          dr inŜ. S. Górski 
Copywriter:            Danka W. 

 

 

(rys. 12) 

Przekroje podporowe nie mog

ą

 przej

ąć

 wi

ę

cej. Tworzy si

ę

 przegub plastyczny. 

 

 

 
(rys. 13) 

Belka  zaczyna  pracowa

ć

  jak  belka  swobodnie  podparta  na  nadwy

Ŝ

k

ę

  obci

ąŜ

enia,  gdy

Ŝ

  podpory 

nie  s

ą

  w  stanie  przenie

ść

  wi

ę

cej.  Powstaje  przegub  plastyczny,  nast

ę

puje  szybszy  przyrost 

napr

ęŜ

e

ń

 

σ

. 

 

 

 

(rys. 14) 

Belka przestaje pracowa

ć

, gdy przechodzi w geometrycznie zmienny ła

ń

cuch kinematyczny. 

 
 
 
 
 

 

KONSTRUKCJE STALOWE 

33

 

 

Autor:          dr inŜ. S. Górski 
Copywriter:            Danka W. 

6.2.2. 

Analiza napr

ęŜ

e

ń

 i odkształce

ń

 

 

 

 

Zakres  plastyczny 

1  –  1

  raz  osi

ą

gni

ę

ty  jest  akceptowalny.  Natomiast  je

ś

li  jest  osi

ą

gany 

kilkukrotnie  (kilka  cykli),  stanowi  problem.  Nast

ę

puje  pogorszenie  stabilizacji  odkształce

ń

  

ε

i powstaje  tzw.  p

ę

tla  histerezy.  Sytuacja  taka  jest  niedopuszczalna  w  przypadku  obci

ąŜ

e

ń

 

poniewa

Ŝ

 zniszczenie nast

ą

piłoby bardzo szybko. 

 
Odkształcenia  włókien  skrajnych  musiałyby  d

ąŜ

y

ć

  do  niesko

ń

czono

ś

ci,  czyli  całkowitego  obrotu 

przegubu. 
 

15

,

0

=

e

R

   

odkształcenie 

ε

 przyjmuje warto

ść

 

 

5

,

1

=

ε

 

 

Stosunek 

e

R

  do 

ε

  wynosi  1:10,  co  oznacza 

Ŝ

e  wysoko

ść

  belki  jest  10  razy  wi

ę

ksza 

od wysoko

ś

ci j

ą

dra spr

ęŜ

ysto

ś

ci. 

  
Przy  czystym  zginaniu  nie  mo

Ŝ

na  osi

ą

gn

ąć

  j

ą

dra  spr

ęŜ

ysto

ś

ci  przegubu.  Osi

ą

gniemy  je  dopiero 

po uwzgl

ę

dnieniu 

τ

. 

 
Musimy  prze

ś

ledzi

ć

,  czy  odci

ąŜ

enie  i  kolejne  obci

ąŜ

enie  nie  spowoduj

ą

  wzrostu 

σ

 

w jakichkolwiek włóknach przekroju. 
 
Odkształcenia okre

ś

la prosta 

1 – 1

, przy napr

ęŜ

eniach okre

ś

lanych wykresem 

2 – 2

. 

Tak  odkształcony  przekrój  odci

ąŜ

amy.  Przekrój  wraca  do  układu  nieobci

ąŜ

onego,  jednak 

w strefach  uplastycznionych  le

Ŝą

cych  na  zewn

ą

trz  linii  a  –  a,  cofni

ę

cie  odkształce

ń

  w  pełni  jest 

niemo

Ŝ

liwe.  Po  odkształceniu  przyjmuje  posta

ć

 

3  –  3

,  cz

ęść

  odkształce

ń

  zostanie, 

cz

ęść

 si

ę

 cofnie. 

Wykres 3 – 3 opisuje płaski przekrój po odci

ąŜ

eniu. Wywołuje to tzw. p

ę

tl

ę

 histerezy. 

 

Obci

ąŜ

amy przekrój ponownie. Cały zakres napr

ęŜ

e

ń

 równy jest sumie napr

ęŜ

e

ń

 przeniesionych 

i napr

ęŜ

e

ń

 plastycznych. 

 

e

e

całałkowit

R

+

=

σ

σ

 

 
 

Sumaryczny  wykres  napr

ęŜ

e

ń

  jest  taki  sam.  Napr

ęŜ

enia  we  wszystkich  włóknach  s

ą

  takie  same 

jak na pocz

ą

tku. Nie mo

Ŝ

emy jednak wyj

ść

 poza wykres j

ą

dra spr

ęŜ

ystego. 

 
 

 

KONSTRUKCJE STALOWE 

34

 

 

Autor:          dr inŜ. S. Górski 
Copywriter:            Danka W. 

Wady: 

 

-

  Wyst

ę

puj

ą

ce  przy  kolejnych  cyklach  obci

ąŜ

e

ń

  i  odci

ąŜ

e

ń

  pogarszanie  si

ę

  odkształce

ń

 

trwałych,  oraz  znaczne  zwi

ę

kszenie  ugi

ęć

.  Powoduje  to, 

Ŝ

e  wykorzystanie  pełnego 

wykresu tak poj

ę

tej pracy spr

ęŜ

ysto – plastycznej przekroju nie jest do przyj

ę

cia. 

 

 

 

W pierwszej fazie obci

ąŜ

enia we włóknach skrajnych nast

ą

pi zmniejszanie napr

ęŜ

e

ń

 przeciwnego 

znaku  i  dopiero  od  tej  chwili  wzrost  napr

ęŜ

e

ń

.  Mamy  okre

ś

lone 

σ

,

e

R

 

(rys.16).

  Je

Ŝ

eli  b

ę

dziemy 

dodawali  do  tego,  to  odkształcenia  włókien  b

ę

d

ą

  odpowiadały  wykresowi  napr

ęŜ

e

ń

 

(rys.16)

. 

Tyle ile cofn

ę

ło 

si

ę

 

tyle 

jest 

tym 

układem 

jaki 

powodowałby 

tego 

typu 

posta

ć

. 

A zatem wykres napr

ęŜ

e

ń

 

4  –  4

  jest  tym  wykresem,  który  uzyskamy  przy  powtórnym  obci

ąŜ

eniu 

osi

ą

gaj

ą

c we włóknach skrajnych napr

ęŜ

enie 

e

R

. Suma napr

ęŜ

e

ń

 musi da

ć

 w jednym momencie 

napr

ęŜ

enia  pierwszego  typu  obci

ąŜ

enia.  Osi

ą

gni

ę

cie  napr

ęŜ

e

ń

 

e

R

  ,czyli  granicy  plastyczno

ś

ci 

w skrajnych włóknach, powoduje od razu uplastycznienie całych stref uprzednio uplastycznionych, 
czyli 

całej 

cz

ęś

ci 

plastycznej, 

le

Ŝą

cej 

na 

zewn

ą

trz 

j

ą

dra 

spr

ęŜ

ystego 

a

. 

Przy kolejnych cyklach obci

ąŜ

enia  nast

ę

puje  pogarszanie  si

ę

  stabilizacji  odkształce

ń

  trwałych, 

narastanie  tych  odkształce

ń

,  co  prowadzi  do  zniszczenia.  Zleca  si

ę

    wykorzystywanie  zakresu 

spr

ęŜ

ysto – plastycznego w połowie, 

Ŝ

eby wymiarowa

ć

 nie na 

plastyczne

W

, przegubu plastycznego, 

ale na 

sprezyste

W

 

2

sprezyste

plastyczne

ś

rednie

W

W

W

+

=

 

 
 

Wysoko

ść

  j

ą

dra  spr

ęŜ

ystego  1/10  wysoko

ś

ci  przekroju  z  uwagi  na  to, 

Ŝ

e  napr

ęŜ

enia  włókien 

skrajnych nie mog

ą

 wej

ść

 w okres wzmocnienia. 

 

Wyst

ą

pienie przegubu plastycznego przy czystym zginaniu jest niemo

Ŝ

liwe. Bo nie mo

Ŝ

emy wej

ść

 

poza  model  elasto  –  plastyczny,  faz

ę

  wzmocnienia,  czyli  musimy  ograniczy

ć

  odkształcenia 

włókien skrajnych do

ε

 wzmocnienia.  

 
 
 
 
 
 

 

KONSTRUKCJE STALOWE 

35

 

 

Autor:          dr inŜ. S. Górski 
Copywriter:            Danka W. 

6.2.3. 

Stosunek momentu przegubu plastycznego do momentu granicznego 

 

W  momencie  granicznym  spr

ęŜ

ystym  napr

ęŜ

enia 

e

R

  malej

ą

  do  zera  w  osi,  natomiast 

w momencie  przegubu  plastycznego  osi

ą

gaj

ą

 

e

R

  w  osi.  Ró

Ŝ

nic

ą

  jest  zakres  obu  wykresów 

napr

ęŜ

e

ń

. 

 

 

Dla  przekrojów  dwuteowych,  poprawnie  zaprojektowanych  na  zginanie  stosunek  momentu 
spr

ęŜ

ysto  –  plastycznego  do  momentu  plastycznego,  kształtuje  si

ę

  w  granicy  0,999.  mo

Ŝ

emy 

przyj

ąć

, 

Ŝ

e moment graniczny pokrywa si

ę

 z momentem przegubu plastycznego. 

Pod wpływem obci

ąŜ

enia momentem nie mo

Ŝ

emy wytworzy

ć

 przegubu plastycznego, bo włókna 

skrajne musiałyby wej

ść

 w okres wzmocnienia. Odkształcenia zmierzałyby do niesko

ń

czono

ś

ci. 

 

W pewnych przypadkach, gdy napr

ęŜ

enia główne 

y

x

σ

σ

,

 s

ą

 przeciwnych znaków to trzeci człon 

b

ę

dzie  ze  znakiem  minus.  Napr

ęŜ

enia 

zastepcze

σ

szybko  wzrosn

ą

.  Je

Ŝ

eli  dojdzie  napr

ęŜ

enie 

styczne, 

styczne

charaktery

σ

przyjmuje  warto

ść

: 

3

⋅

=

τ

σ

char

 

 

 

 

KONSTRUKCJE STALOWE 

36

 

 

Autor:          dr inŜ. S. Górski 
Copywriter:            Danka W. 

W  pewnych  sytuacjach  mo

Ŝ

e  by

ć

  tak, 

Ŝ

e 

σ

  jest  znacznie  mniejsze  od  sigma  plastycznego, 

a napr

ęŜ

enia  b

ę

d

ą

  wzrasta

ć

  do  warto

ś

ci 

e

R

  w 

ś

rodku  przekroju.  Nie  wyst

ę

puje  przegub 

plastyczny,  natomiast  pewne  włókna  mog

ą

  ulec  uplastycznieniu.  Je

Ŝ

eli  jest  to  uplastycznienie 

od siły 

ś

cinaj

ą

cej w osi x to nast

ą

pi 

ś

ci

ę

cie, czyli wzajemne przemieszczenie warstwy górnej belki 

wzgl

ę

dem warstwy dolnej. Dojdzie do zniszczenia belki przez jej rozwarstwienie.  

Zale

Ŝ

nie  od  wielko

ś

ci  sił  poprzecznych,  czyli  charakteru  obci

ąŜ

enia,  i  układu  statycznego 

rozwarstwienie  wyst

ę

puje  w belkach krótkich, silnie  obci

ąŜ

onych, gdzie decyduj

ą

 siły  napr

ęŜ

enia 

rozwarstwiaj

ą

ce, styczne, które decyduj

ą

 o wytrzymało

ś

ci belki. 

 
 

6.2.4. 

Moment plastyczny 

 
 

Definicja momentu plastycznego 

 
 

e

plastyczne

plastyczny

R

W

M

⋅

=

 

 

∫

∫

⋅

⋅

+

⋅

⋅

=

2

1

0

0

y

y

plastyczne

dy

y

b

dy

y

b

W

 

 
 

Dla przekrojów z poziom

ą

 osi

ą

 symetrii 

 

∫

⋅

⋅

=

2

0

2

h

plastyczne

dy

y

b

W

 

 

6.2.5. 

Wska

ź

nik 

Ω

 

 

O istocie wykorzystania rezerwy (ró

Ŝ

nicy napr

ęŜ

e

ń

), b

ę

dzie decydowa

ć

 wielko

ść

 wska

ź

nika 

Ω

,gdzie 

 

sprezysty

graniczny

plastyczny

M

M

,

=

Ω

 

 
 

Dla ró

Ŝ

nych przekrojów wska

ź

nik 

Ω

 kształtuje si

ę

 nast

ę

puj

ą

co: 

 

 

 

5

,

1

=

Ω

 

 

 

(masa równomiernie rozło

Ŝ

ona)

 



 

0

,

2

=

Ω

 

 

 

(liniowy przyrost masy)

 



 

0

,

2

〈

Ω

,  

75

,

1

=

Ω

 

(nieliniowy przyrost masy)

 



 

27

,

1

=

Ω

 

 

 

(przyrost wzrasta i nast

ę

pnie maleje – 

zale

Ŝ

nie od grubo

ś

ci 

ś

ciany)

 

I

 

PN

 

17

,

1

=

Ω

 

 
 

Jakichkolwiek napr

ęŜ

e

ń

 spr

ęŜ

ysto – plastycznych nie wolno stosowa

ć

 w elementach obci

ąŜ

onych 

dynamicznie (tam gdzie jest obci

ąŜ

enie dynamiczne wyst

ę

puje praca wył

ą

cznie spr

ęŜ

ysta).