Λύσεις — Κεφάλαιο 13 · Μέταλλα (σελ. 204) – ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΔΟΜΙΚΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Β ΕΠΑΛ

Λύσεις — Κεφάλαιο 13 · Μέταλλα (σελ. 204)

Απαντήσεις στις Ερωτήσεις του βιβλίου.

Χαρακτηριστικά ΚΑΙ μειονεκτήματα

Ερώτηση: 1. Ποια είναι τα κυριότερα χαρακτηριστικά των μετάλλων; Είναι σε όλα τα μέταλλα τα ίδια; 2. Ποια είναι τα σημαντικότερα μειονεκτήματα των μεταλλικών υλικών;

Απάντηση:

• Κυριότερα χαρακτηριστικά: μεγάλη μηχανική αντοχή (θλίψη, εφελκυσμός, κάμψη, διάτμηση, στρέψη), θερμική και ηλεκτρική αγωγιμότητα, συγκολλητότητα, ικανότητα τροποποίησης των μηχανικών ιδιοτήτων με μηχανική, θερμική ή ηλεκτρική κατεργασία, ελατότητα, ολκιμότητα, ελαστικότητα, εύτηκτο και εύχυτο.
• Δεν είναι ίδια σε όλα: τα χαρακτηριστικά δεν εμφανίζονται σε όλα τα μέταλλα στον ίδιο βαθμό· η επιλογή του καταλληλότερου γίνεται ανάλογα με το έργο και τις συνθήκες του περιβάλλοντος.
• Σημαντικότερα μειονεκτήματα: η σχετική ευκολία με την οποία διαβρώνονται σε υγρό περιβάλλον και η μικρή αντοχή τους στην πυρκαγιά.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Αντοχή, αγωγιμότητα, συγκολλητότητα, τροποποίηση ιδιοτήτων, ελατότητα, ολκιμότητα, ελαστικότητα, εύτηκτο, εύχυτο — όχι στον ίδιο βαθμό σε όλα· μειονεκτήματα: διάβρωση σε υγρό περιβάλλον και μικρή αντοχή στην πυρκαγιά.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Κριτήριο: κατάλογος χαρακτηριστικών + «όχι στον ίδιο βαθμό» + τα δύο μειονεκτήματα του βιβλίου.

Ελαστικότητα, διαρροή, θραύση

Ερώτηση: 3. Τι ονομάζουμε: α) ελαστικότητα, β) όριο διαρροής και γ) όριο θραύσης ενός μετάλλου;

Απάντηση:

• α) Ελαστικότητα: η ικανότητα του μετάλλου να παραμορφώνεται υπό εξωτερικές δυνάμεις χωρίς να θραύεται, με προσωρινές παραμορφώσεις που εξαφανίζονται με την αφαίρεση του φορτίου.
• β) Όριο διαρροής: η τάση πέρα από την οποία οι παραμορφώσεις γίνονται μόνιμες (πλαστικότητα)· στο διάγραμμα τάσης - παραμόρφωσης του χάλυβα αντιστοιχεί στο τέλος της ευθύγραμμης ελαστικής περιοχής (σημείο Α), μετά από το οποίο εμφανίζονται μεγάλες μόνιμες παραμορφώσεις. Π.χ. ο χάλυβας S220 έχει όριο διαρροής 220 MPa.
• γ) Όριο θραύσης: η τάση στην οποία το μέταλλο θραύεται, όταν η επίδραση της δύναμης υπερβεί ένα όριο (σημείο F του διαγράμματος, μετά τη μέγιστη τάση S).

Σύνοψη: (ενδεικτική) Ελαστικότητα: προσωρινές παραμορφώσεις χωρίς θραύση· όριο διαρροής: τάση όπου αρχίζουν οι μόνιμες παραμορφώσεις· όριο θραύσης: τάση όπου το μέταλλο σπάει.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Κριτήριο: διάκριση προσωρινής/μόνιμης παραμόρφωσης και θραύσης.

Ψαθυρότητα (ποιο σπάει πρώτο)

Ερώτηση: 4. Δύο μέταλλα έχουν διαφορετική δομή. Το πρώτο έχει μεγάλους κόκκους και βρίσκεται σε θερμοκρασία 0°C. Το δεύτερο έχει μικρότερους κόκκους και βρίσκεται σε θερμοκρασία 20°C. Ποιο από τα δύο μέταλλα θα σπάσει πρώτο αν ρίξουμε πάνω σε αυτά δύο ίδιες σφαίρες μεγάλου βάρους;

Απάντηση:

• Η αντοχή σε κρούση εξαρτάται από τη θερμοκρασία, την ταχύτητα κρούσης και το μέγεθος των κόκκων.
• Η μείωση της θερμοκρασίας δυσχεραίνει την ανάπτυξη πλαστικών παραμορφώσεων και η αντοχή σε κρούση μειώνεται όσο μεγαλύτεροι είναι οι κόκκοι.
• Το πρώτο μέταλλο συνδυάζει μεγάλους κόκκους και χαμηλή θερμοκρασία (0 °C), άρα έχει τη μικρότερη αντοχή σε κρούση.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Θα σπάσει πρώτο το πρώτο μέταλλο (μεγάλοι κόκκοι, 0 °C).

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Κριτήριο: αιτιολόγηση και με τους δύο παράγοντες (κόκκοι, θερμοκρασία).

Κόπωση ΚΑΙ ελατότητα/ολκιμότητα

Ερώτηση: 5. Πώς ονομάζεται το φαινόμενο κατά το οποίο, ενώ το επαναλαμβανόμενο φορτίο επιβολής σε ένα μέταλλο είναι μικρότερο από το όριο θραύσης του, αυτό θραύεται; Ποιοι παράγοντες αυξάνουν το φαινόμενο; 6. Ποια είναι η διαφορά μεταξύ ελατότητας και ολκιμότητας ενός μετάλλου;

Απάντηση:

• Το φαινόμενο ονομάζεται κόπωση: τα επαναλαμβανόμενα φορτία προκαλούν ανάπτυξη ρωγμών που μπορεί να οδηγήσουν σε αστοχία.
• Η αντοχή σε κόπωση αυξάνεται όσο αυξάνεται η εφελκυστική αντοχή, μειώνεται η θερμοκρασία και μειώνεται το μέγεθος των κόκκων. Άρα το φαινόμενο ευνοείται από μικρότερη εφελκυστική αντοχή, υψηλότερη θερμοκρασία και μεγαλύτερους κόκκους· επίσης οι εφελκυστικές τάσεις δίνουν μικρότερη αντοχή σε κόπωση από τις θλιπτικές.
• Ελατότητα: η ικανότητα του μετάλλου να αλλάζει σχήμα και μορφή με εξωτερικές δυνάμεις χωρίς μεταβολή των υπόλοιπων ιδιοτήτων του. Ολκιμότητα: η ικανότητα να παίρνει, μετά από έλξη με κατάλληλη συσκευή, μορφή σύρματος.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Κόπωση· ευνοείται από μικρή εφελκυστική αντοχή, υψηλή θερμοκρασία, μεγάλους κόκκους και εφελκυστικές τάσεις· ελατότητα = αλλαγή σχήματος, ολκιμότητα = μορφή σύρματος.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Κριτήριο: όρος «κόπωση» + παράγοντες του βιβλίου + διάκριση ελατότητας/ολκιμότητας.

Κράματα

Ερώτηση: 7. Πότε δύο μέταλλα μπορούν να γίνουν κράμα; Πώς αντιμετωπίζεται το φαινόμενο ασυμβατότητας μεταξύ τους;

Απάντηση:

• Απαραίτητη προϋπόθεση για τον σχηματισμό κράματος είναι η δυνατότητα των στοιχείων να αποτελέσουν ομοιογενές μίγμα όταν βρίσκονται σε υγρή κατάσταση.
• Σημαντικότερο πρόβλημα ασυμβατότητας είναι η γαλβανική διάβρωση: λόγω διαφοράς δυναμικού ισορροπίας σε ηλεκτρολυτικό περιβάλλον δημιουργείται ηλεκτρικό ρεύμα που προσβάλλει το ασθενέστερο μέταλλο.
• Αντιμετωπίζεται με ειδική κατεργασία των μετάλλων που ονομάζεται γαλβανισμός.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Όταν σε υγρή κατάσταση σχηματίζουν ομοιογενές μίγμα· η ασυμβατότητα (γαλβανική διάβρωση) αντιμετωπίζεται με γαλβανισμό.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Κριτήριο: ομοιογενές μίγμα σε υγρή κατάσταση + γαλβανική διάβρωση/γαλβανισμός.

Άνθρακας ΚΑΙ μέθοδος παραγωγής χάλυβα

Ερώτηση: 8. Ποιο στοιχείο τροποποιεί τις ιδιότητες του χάλυβα; Με ποια μέθοδο παραγωγής δίνεται η δυνατότητα καθορισμού της ποσότητας του στοιχείου αυτού;

Απάντηση:

• Ο άνθρακας έχει καθοριστικό ρόλο: με την αύξησή του αυξάνεται η αντοχή και η σκληρότητα αλλά μειώνεται η πλαστιμότητα και η συγκολλησιμότητα.
• Με τη μέθοδο Bessemer - Thomas ήταν δυνατός ο έλεγχος της περιεκτικότητας σε άνθρακα (πλήρης αφαίρεση του άνθρακα και κατόπιν προσθήκη χάλυβα γνωστής περιεκτικότητας). Η κάμινος ανοικτής εστίας (1500 - 1700 °C) δίνει επίσης τη δυνατότητα παραγωγής χάλυβα με καθορισμένη ποσότητα άνθρακα και μεγαλύτερη ομοιογένεια, με αυξημένο κόστος.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Ο άνθρακας· ο έλεγχός του γίνεται με τη μέθοδο Bessemer - Thomas και ιδίως με την κάμινο ανοικτής εστίας.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Κριτήριο: άνθρακας με την επίδρασή του + μέθοδος που επιτρέπει καθορισμό του άνθρακα.

Χάλυβες στην Ελλάδα ΚΑΙ σήμανση

Ερώτηση: 9. Ποιοι χάλυβες χρησιμοποιούνται στη χώρα μας και γιατί; Αναφέρετε τα είδη χαλύβων που κυκλοφορούν και τη σήμανση των ελληνικών χαλύβων.

Απάντηση:

• Στην Ελλάδα χρησιμοποιούνται κυρίως χάλυβες οπλισμένου σκυροδέματος (ΕΛΟΤ 959 και 971), γιατί οι χρήσεις του δομικού χάλυβα είναι περιορισμένες σε σχέση με το σκυρόδεμα. Οι ψαθυροί χάλυβες (ψυχρής εξέλασης) είναι ακατάλληλοι λόγω της συμπεριφοράς τους σε σεισμικές καταπονήσεις (θραύονται)· χρησιμοποιούνται χάλυβες θερμής εξέλασης.
• Είδη: S220 (St I, λείος, όριο διαρροής 220 MPa)· S400 (St III, με νευρώσεις για συνάφεια, όριο διαρροής 400 MPa, διατομές Φ8 έως Φ32, μήκη έως 14 m)· S500 ή S500s (St IV, όριο διαρροής 500 MPa, συγκολλήσιμος)· δομικό πλέγμα S500 (ηλεκτροσυγκολλημένες ράβδοι Φ4 - Φ16). Δομικοί χάλυβες κατά Ευρωκώδικα 3: Fe360, Fe430, Fe510, FeE275, FeE355.
• Σήμανση: οι χάλυβες με νευρώσεις δείχνουν χώρα προέλευσης, ποιότητα και εργοστάσιο· κατά ENV 10080 η Ελλάδα σημαίνεται με οκτώ γραμμές (////////).
• Σημείωση: το βιβλίο γράφει σε ένα σημείο «S440» για τον χάλυβα με όριο διαρροής 400 MPa· η σωστή ονομασία, όπως φαίνεται και από τη συνέχεια του κειμένου, είναι S400.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Χάλυβες οπλισμού θερμής εξέλασης (όχι ψαθυροί, λόγω σεισμών): S220, S400, S500/S500s, πλέγματα S500· σήμανση Ελλάδας: οκτώ γραμμές.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Κριτήριο: αιτιολόγηση με τη σεισμική συμπεριφορά + είδη με όρια διαρροής + οκτώ γραμμές.

Χάλυβας προέντασης

Ερώτηση: 10. Ποιο είδος χαλύβων χρησιμοποιείται για προένταση; Ποιες οι ιδιότητές τους και ποια η μορφή τους;

Απάντηση:

• Χρησιμοποιείται χάλυβας υψηλών προδιαγραφών (υψηλής αντοχής), ώστε να μειώνονται οι διατομές, να ελαχιστοποιείται η απώλεια της δύναμης προέντασης λόγω ερπυσμού και συστολής ξήρανσης του σκυροδέματος και να μειώνεται η χαλάρωσή του.
• Ιδιότητες: όριο διαρροής 550 - 1800 MPa· πρέπει να είναι προελεγμένος, χωρίς τραυματισμούς και σκουριές.
• Μορφή: συρματόσχοινα από 2, 3, 7 ή 15 σύρματα διαμέτρου έως 5 mm πλεγμένα σε μία διατομή.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Χάλυβας υψηλής αντοχής με όριο διαρροής 550 - 1800 MPa, χωρίς τραυματισμούς/σκουριές, σε μορφή συρματόσχοινων (2, 3, 7 ή 15 σύρματα έως 5 mm).

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Κριτήριο: υψηλή αντοχή + όρια διαρροής + μορφή συρματόσχοινων.

Απαιτήσεις ΚΑΙ δοκιμές χάλυβα

Ερώτηση: 11. Ποιες οι απαιτήσεις του χάλυβα που χρησιμοποιείται στα δομικά έργα και ποιες δοκιμές γίνονται σε αυτόν;

Απάντηση:

• Απαιτήσεις: απαγορεύεται η παραγωγή χάλυβα οπλισμού με επανέλαση έτοιμων προϊόντων· απαγορεύεται οπλισμός με απολεπίσεις, παραμορφώσεις, αλλοιώσεις ή ρωγμές· τα πιστοποιητικά ποιότητας εκδίδονται από τον ΕΛΟΤ, με δειγματοληψίες στη μονάδα παραγωγής, στα τελωνεία ή στους χώρους αποθήκευσης.
• Δοκιμές (ΦΕΚ 746/1995, δείγματα ανά παρτίδα 10 τόνων): εφελκυσμός, αναδίπλωση και κάμψη - ανάκαμψη, προσδιορισμός ορίων διαρροής· έλεγχος συγκολλησιμότητας με εφελκυσμό και κάμψη· χημική σύνθεση κατά ΕΛΟΤ 971 (ισοδύναμο άνθρακα όχι > 0,52%). Όλα τα δοκίμια πρέπει να ικανοποιούν τους ελέγχους.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Χωρίς επανέλαση και χωρίς ελαττώματα, με πιστοποίηση ΕΛΟΤ· δοκιμές εφελκυσμού, αναδίπλωσης, κάμψης - ανάκαμψης, ορίου διαρροής, συγκολλησιμότητας και χημικής σύνθεσης.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Κριτήριο: απαιτήσεις + κατάλογος δοκιμών.

Αλουμίνιο

Ερώτηση: 12. Να αναφέρετε τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα του αλουμινίου ως δομικού υλικού. Ποιες οι κύριες χρήσεις του αλουμινίου;

Απάντηση:

• Πλεονεκτήματα: μικρό ειδικό βάρος (2700 Kg/m³ έναντι 7850 Kg/m³ του χάλυβα)· δεν επηρεάζεται από τις διαβρωτικές επιδράσεις του περιβάλλοντος (το σπουδαιότερο χαρακτηριστικό)· τα κουφώματα δεν χρειάζονται συντήρηση και έχουν μεγάλη αντοχή στον χρόνο· ανοδίωση και ηλεκτροστατική βαφή σε κάθε απόχρωση· ανακυκλώνεται.
• Μειονεκτήματα: το κόστος των αλουμινοκατασκευών είναι υψηλότερο από των σιδηροκατασκευών (η διαφορά μειώνεται)· το καθαρό αλουμίνιο έχει χαμηλές μηχανικές ιδιότητες και χρησιμοποιείται σε κράματα.
• Χρήσεις: κουφώματα, χωρίσματα, κιγκλιδώματα, φύλλα κάλυψης στεγών, ράβδοι και προφίλ ως φέροντα στοιχεία, σκούρα (ρολά, πατζούρια), χειρολαβές και διακοσμητικά (χύτευση), σκόνη για χρώματα.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Πλεονεκτήματα: ελαφρύ, αντιδιαβρωτικό, χωρίς συντήρηση, ανακυκλώσιμο· μειονεκτήματα: υψηλότερο κόστος, χαμηλή αντοχή του καθαρού· χρήσεις: κουφώματα, χωρίσματα, κιγκλιδώματα, στέγες, προφίλ.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Κριτήριο: πλεονεκτήματα/μειονεκτήματα + κύριες χρήσεις.

Χαλκός

Ερώτηση: 13. Ποια είναι τα χαρακτηριστικά του χαλκού και ποιες οι χρήσεις του στη δόμηση;

Απάντηση:

• Χαρακτηριστικά: μαλακό υλικό με εξαιρετική ηλεκτρική αγωγιμότητα, ανθεκτικότητα στη διάβρωση και μεγάλη ευκαμψία· σχηματίζει μεγάλη ποικιλία κραμάτων (ορείχαλκος, μπρούτζος). Έχει υψηλή τιμή.
• Χρήσεις: καλώδια ρεύματος και σωληνώσεις ύδρευσης· ο ορείχαλκος σε εξαρτήματα σωληνώσεων· ο μπρούτζος σε λεπτά φύλλα για κάλυψη στεγών και μνημειακών κτισμάτων, σωλήνες ομβρίων, διακοσμητικά και χειρολαβές. Λόγω τιμής τα κράματά του χρησιμοποιούνται περιορισμένα.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Μαλακός, αγώγιμος, αντιδιαβρωτικός, εύκαμπτος· καλώδια, σωληνώσεις ύδρευσης, και μέσω κραμάτων εξαρτήματα, στέγες, υδρορροές, διακοσμητικά.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Κριτήριο: τα τρία βασικά χαρακτηριστικά + καλώδια/σωληνώσεις.

Συντήρηση χάλυβα, αλουμινίου ΚΑΙ χαλκού

Ερώτηση: 14. Να αναφέρετε μεθόδους συντήρησης για το χάλυβα, το αλουμίνιο και το χαλκό.

Απάντηση:

• Χάλυβας (σιδηρές κατασκευές): μέθοδοι ενεργητικές (χρήση ειδικών κραμάτων) ή παθητικές (επικάλυψη με επικαλυπτικές ουσίες, βαφές, επιμεταλλώσεις, σμάλτωμα, συνθετικά φύλλα)· επίσης γαλβανισμός με ψευδάργυρο.
• Αλουμίνιο: ανοδίωση (χημικά ή με ηλεκτρόλυση) που δημιουργεί αντιδιαβρωτικά στρώματα, βαφή με οργανικά χρώματα, χρωμίωση και φωσφάτωση.
• Χαλκός: στίλβωση και επιφανειακή επάλειψη με λανολίνη ή μηχανική στίλβωση· επικάλυψη με στρώμα βερνικιού ή κασσιτέρου.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Χάλυβας: ειδικά κράματα ή επικαλύψεις/βαφές/επιμεταλλώσεις· αλουμίνιο: ανοδίωση, χρωμίωση, φωσφάτωση· χαλκός: στίλβωση με λανολίνη, βερνίκι ή κασσίτερος.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Κριτήριο: τουλάχιστον μία σωστή μέθοδος για κάθε μέταλλο.