Teräksen paksuussuuntaiset ominaisuudet : haurasmurtuminen ja lamellirepeily

Abstract

This thesis was done for Sweco Rakennetekniikka Oy and the work was carried out during 2020. The aim of the work was to create guidelines on how the through-thickness properties of steel should be considered in structural design according to the Eurocode. The work also studies how standards from other countries consider through-thickness properties.

The through-thickness properties of steel include fracture toughness, which affects whether the steel fractures tough or brittle. Another phenomenon in the thickness-oriented properties of steel is the presence of lamellar cracking during manufacture. Brittle fracture is the breaking of steel at the speed of sound without noticeable plastic deformation, and lamellar tearing is the tearing of lamellar layers in the thickness direction of steel in the region of welded joints when the region is affected by a perpendicular tensile force.

The Eurocode provides comprehensive guidelines for brittle fracture and lamellar tearing to define them in steel design. Instructions for examining both phenomena can be found in the standard EN 1993-1-10, which provides a table for brittle fracture. With this table is it possible to determine the steel grade and the maximum thickness of steel at certain operating temperatures. A separate calculation formula has been made for the examination of lamellar tearing, which considers the risk of lamellar tearing in steel and whether there is a need to require Z-plates. These are steel plates which have been subjected to thickness testing.

Standards in other countries have also addressed the through-thickness properties of steel. The work goes through the standards of Japan, Russia, China and the United States. These standards provide guidance on which steel grade to use under certain environmental conditions.

It was found that the Eurocode provides the most comprehensive way to study thickness-related phenomena compared to other standards. The Eurocode can also be used, if necessary, to examine steel when using steels from other countries' standards and knowing the corresponding euro steel grade. The standards of other countries may already determine which steel grade are used on certain construction sites.

Tämä työ tehtiin Sweco Rakennetekniikka Oy:lle ja työ toteutettiin vuoden 2020 aikana. Työn tavoitteena oli luoda ohjeistus, kuinka teräksen paksuussuuntaiset ominaisuudet tulee huomioida Eurokoodin mukaisessa rakennesuunnittelussa. Työssä tutkittiin myös, kuinka muiden maiden standardit ottavat kantaa paksuussuuntaisiin ominaisuuksiin.

Teräksen paksuussuuntaisiin ominaisuuksiin kuuluu murtumissitkeys, joka vaikuttaa murtuuko teräs sitkeästi vai hauraasti. Toisena ilmiönä teräksen paksuussuuntaisissa ominaisuuksissa on lamellirepeilyn esiintyminen valmistuksen yhteydessä. Haurasmurtuminen on äänen nopeudella etenevää teräksen murtumista ilman havaittavaa plastista muodonmuutosta ja lamellirepeily on hitsatuiden liitosten alueella tapahtuvaa teräksen paksuussuunnassa olevien lamellien repeilyä kun alueelle vaikuttaa kohtisuorainen vetovoima.

Eurokoodi antaa haurasmurtumiseen ja lamellirepeilyyn kattavat ohjeet niiden tutkimiseen terässuunnittelussa. Molempien ilmiöiden tarkasteluun ohjeet löytyvät EN 1993-1-10 standardista, jossa haurasmurtumiselle on tehty taulukko, jonka mukaan pystyy määrittämään teräslaadun ja teräksen maksimipaksuuden tietyissä käyttölämpötiloissa. Lamellirepeilyn tarkasteluun on tehty oma laskentakaava, jolla tarkastellaan teräksen lamellirepeilyn riskiä ja onko tarvetta vaatia Z-levyjä, joihin on tehty paksuussuuntainen testaus.

Muiden maiden standardeissa on myös käsitelty teräksen paksuussuuntaisia ominaisuuksia. Työssä käydään läpi Japanin, Venäjän, Kiinan ja Yhdysvaltojen standardeja. Näiden maiden standardeissa on ennemminkin ohjeita minkälaisia teräslaatuja pitää käyttää tietyissä ympäristöolosuhteissa.

Työssä huomattiin, että Eurokoodi antaa kattavimman tavan tutkia paksuussuuntaisia ilmiöitä muihin standardeihin nähden. Eurokoodin avulla voidaan myös tarvittaessa tutkia terästä käytettäessä muiden maiden standardien teräksiä ja tiedetään sen vastaava euroteräslaatu. Myös muiden maiden omat standardit voivat määrätä jo kyseisen teräslaadun tietyille rakennusalueille.