Rakenneterästen iskusitkeys seismisessä kuormituksessa

Abstract

Työn tarkoituksena oli tutkia rakenneterästen iskusitkeyttä maanjäristyksen aiheuttamassa dynaamisessa kuormituksessa. Tutkimuksen tavoitteena oli vertailla valittuja teräslaatuja ja niiden iskusitkeysominaisuuksia sekä selvittää, ovatko valitut teräkset vaihdettavissa keskenään. Työssä tutustuttiin iskusitkeyteen vaikuttaviin tekijöihin ja iskusitkeyden mittaamiseen Charpy V -iskukokeella. Työ toteutettiin kirjallisuustutkimuksena. Työhön valitut teräslaadut ovat korkealujuuksisia seostamattomia tai mikroseostettuja rakenneteräksiä, ja niitä käytetään yleisesti kuormaa kantavissa rakenteissa. Tutkitut teräslaadut olivat eurooppalainen S355, amerikkalainen A572 Gr 50, kiinalaiset Q345 ja Q355 sekä venäläinen S345. Niiden lujuusomaisuudet muistuttavat pääsääntöisesti toisiaan, mutta terästen kemiallisissa koostumuksissa oli eroja, merkittävimmin mikroseosaineiden osalta. Iskusitkeyden arvot erosivat käytettyjen laatuluokkien mukaan. Työhön valittujen teräslaatujen materiaalistandardit määrittelivät iskuenergian arvoja laajalla lämpötila-alueella: −70 – +20 °C. Teräslaaduille Q355NF ja Q355MF on ilmoitettu iskusitkeyden arvot laajimmalla lämpötila-asteikolla. Matalimmassa testauslämpötilassa iskusitkeyden arvo on ilmoitettu teräslaadulle S345. Tutkimuksessa luotiin kokonaiskuvaa yleisimpien rakenneterästen iskusitkeydestä seismisessä kuormituksessa. Tärkeitä ominaisuuksia maanjäristyskestävyyden kannalta ovat teräsrakenteen sitkeys ja kyky plastiseen muodonmuutokseen. Ferriittiset teräkset kokevat sitkeyskäyttäytymisen muutoksen hauraasta sitkeäksi tietyllä lämpötilalla. Tämän transitiolämpötilan on hyvä olla alhainen, jotta teräs käyttäytyy sitkeästi käyttölämpötilassaan. Hitsaus voi heikentää rakenteen sitkeysominaisuuksia, joten sen tekninen onnistuminen on tärkeää rakenteen kestävyyden kannalta. Iskukokeen erilaiset suorituslämpötilat ja koekappaleen valssaussuunta ja loven muoto vaikeuttavat tulosten vertailua. Samassa testauslämpötilassa samantyyppisillä teräksillä iskuenergian arvot olivat kuitenkin suhteellisen lähellä toisiaan.

The purpose of this thesis was to study notch toughness of structural steels in dynamic loading caused by earthquake. The goal of the study was to compare chosen steels grades and their notch toughness properties and to determine whether the chosen steels were interchangeable. The factors influencing notch toughness and method of Charpy V impact test are examined. Thesis was conducted as a literary study. The chosen steel grades are high strength unalloyed or microalloyed structural steels and they are used in load-carrying applications. The studied steel grades were European S355, American A572 Gr 50, Chinese Q345 and Q355 as well as Russian S345. Their strength properties resemble each other in general but there were differences in their chemical composition, mainly with microalloying elements. Notch toughness values vary according used steel grades. Material standards of the chosen steel grades specify notch toughness values in wide temperature scale: −70 – +20 °C. For steel grades Q355NF and Q355MF, notch toughness values are defined in the widest temperature range. For the lowest test temperature, notch toughness value is defined for steel grade S345. In this study, an overall view of notch toughness for structural steels in seismic loading was established. Ductility and capacity for plastic deformation are essential properties of steel structures in terms of earthquake resistance. Ferritic steels experience ductile to brittle transition in their ductility behavior at certain temperature. This transition temperature should be low so that steel will behave in ductile manner in operating temperature. Welding can deteriorate ductile performance of the structure, therefore it is important that welding meets the qualifications for the endurance of the structure. Different test temperatures, rolling directions and notch geometry of the specimen complicate comparison of the impact test results. In the same test temperature and with similar type of steels impact energy values were relatively close to each other.