Właściwości mechaniczne stali: granica plastyczności, wytrzymałość i moduł Younga (tabela)
Wielu inwestorów i wykonawców przy doborze belki czy słupa pyta o „mocniejszy gatunek” stali, zakładając, że przejście z S235 na S355 automatycznie rozwiąże problem uginającego się elementu. Tymczasem w praktyce projektowej bardzo często o wyborze profilu decyduje nie nośność, lecz sztywność, czyli odporność na ugięcie.
A ta zależy od modułu Younga i geometrii przekroju, a nie od tego, jaki gatunek stali kupimy. Zanim więc zapłacisz więcej za wyższy gatunek, warto zrozumieć, co naprawdę kryje się za pojęciami takimi jak granica plastyczności stali, wytrzymałość na rozciąganie czy moduł sprężystości.
W tym artykule tłumaczymy te właściwości mechaniczne prostym językiem, pokazujemy tabelę porównawczą najpopularniejszych gatunków i obalamy mit „sztywniejszej” stali S355.
Najważniejsze informacje z tego artykułu
- Moduł Younga E = 210 GPa jest taki sam dla wszystkich stali konstrukcyjnych, niezależnie od gatunku (PN-EN 1993-1-1).
- Granica plastyczności Re rośnie wraz z gatunkiem (od S235 przez S275 do S355), ale sztywność elementu pozostaje bez zmian.
- O doborze profilu bardzo często decyduje dopuszczalne ugięcie (np. limit L/250), a nie sam gatunek stali.
- Zwiększenie nośności przez zmianę gatunku ma sens tam, gdzie o wymiarach elementu decyduje wytrzymałość, a nie stan graniczny użytkowalności.
Co to jest granica plastyczności (Re) i wytrzymałość na rozciąganie (Rm)?
Granica plastyczności, oznaczana symbolem Re (lub w projektowaniu fy), to naprężenie, przy którym stal przestaje zachowywać się sprężyście i zaczyna odkształcać się trwale. Poniżej tej wartości odkształcenie jest odwracalne, czyli po zdjęciu obciążenia element wraca do pierwotnego kształtu.
Po przekroczeniu Re materiał „płynie” i pozostają w nim odkształcenia trwałe. To właśnie granica plastyczności jest podstawową wartością w obliczeniach nośności konstrukcji stalowych.
Wytrzymałość na rozciąganie Rm (lub fu) to maksymalne naprężenie, jakie próbka jest w stanie przenieść tuż przed zerwaniem. Jest zawsze wyższa od granicy plastyczności i informuje o rezerwie bezpieczeństwa materiału. Najlepiej obie wartości zobrazować na wykresie rozciągania (krzywej naprężenie-odkształcenie), który powstaje w standardowej próbie rozciągania.
Jak czytać wykres rozciągania?
Na osi poziomej wykresu odkłada się odkształcenie (wydłużenie względne), a na pionowej naprężenie. Początkowo wykres jest linią prostą, wznoszącą się stromo w górę. To zakres sprężysty (Hooke’a), w którym naprężenie jest wprost proporcjonalne do odkształcenia, a nachylenie tej prostej opisuje właśnie moduł Younga.
Następnie krzywa załamuje się w okolicy granicy plastyczności, po czym materiał odkształca się plastycznie. Wykres osiąga wierzchołek przy wartości Rm, a następnie opada aż do punktu zerwania.
Im dłuższy i bardziej rozciągnięty jest ten odcinek plastyczny, tym bardziej ciągliwy (a mniej kruchy) jest materiał.
Ile wynosi moduł Younga stali?
Moduł Younga (moduł sprężystości podłużnej) opisuje sztywność materiału, czyli jego opór wobec odkształceń sprężystych. Dla stali konstrukcyjnej przyjmuje się wartość E = 210 GPa, czyli 210 000 MPa (PN-EN 1993-1-1).
Jest to jedna z najważniejszych stałych w projektowaniu, bo to właśnie od niej zależy, jak bardzo ugnie się belka pod obciążeniem. Norma podaje również moduł Kirchhoffa (moduł sprężystości poprzecznej) G = 81 GPa oraz współczynnik Poissona ν = 0,3 (PN-EN 1993-1-1).
Ważna informacja jest taka: moduł Younga jest praktycznie identyczny dla wszystkich stali konstrukcyjnych. Zarówno tania S235, jak i wyższa gatunkowo S355 mają E = 210 GPa (PN-EN 1993-1-1). To oznacza, że pod tym samym obciążeniem belka o tym samym przekroju ugnie się tak samo, niezależnie od tego, z którego gatunku została wykonana.
Dla porównania: aluminium ma moduł Younga na poziomie ok. 70 GPa, czyli około trzy razy niższy niż stal. Dlatego przy tej samej geometrii element aluminiowy ugina się mniej więcej trzykrotnie bardziej niż stalowy, mimo że aluminium jest lżejsze.
To dobrze pokazuje, że o sztywności decyduje materiał na poziomie modułu sprężystości, a nie gatunek w obrębie tej samej grupy stali.
Co to jest udarność i wydłużenie (A)?
Poza wytrzymałością i sztywnością ważne są też właściwości opisujące ciągliwość i odporność materiału na pękanie. Wydłużenie A to procentowe, trwałe wydłużenie próbki po jej zerwaniu, odniesione do długości pomiarowej.
Im wyższa wartość A, tym stal jest bardziej plastyczna, czyli lepiej „ostrzega” przed zniszczeniem, odkształcając się widocznie, zamiast pękać nagle. Dla typowych stali konstrukcyjnych wydłużenie mieści się zwykle w przedziale kilkunastu do ponad dwudziestu procent (PN-EN 10025-2).
Udarność natomiast opisuje odporność stali na pękanie przy obciążeniach dynamicznych (uderzeniowych), zwłaszcza w niskich temperaturach. Bada się ją w próbie udarności Charpy’ego, w której mierzy się energię potrzebną do złamania próbki z karbem.
W oznaczeniach gatunków stali odpowiadają jej symbole takie jak JR, J0 czy J2, informujące o gwarantowanej udarności w określonej temperaturze (np. J2 oznacza min. 27 J w temperaturze −20°C, PN-EN 10025-2). Ma to duże znaczenie dla konstrukcji narażonych na mróz i obciążenia zmienne, gdzie kruche pękanie jest szczególnie groźne.
Właściwości mechaniczne S235, S275, S355 i B500SP – tabela
Poniższa tabela zestawia najważniejsze właściwości mechaniczne najpopularniejszych stali konstrukcyjnych oraz stali zbrojeniowej B500SP.
Wartości granicy plastyczności podano dla wyrobów o najmniejszych grubościach, ponieważ wraz ze wzrostem grubości minimalna granica plastyczności nieco spada (PN-EN 10025-2).
| Gatunek | Granica plastyczności Re (min.) | Wytrzymałość Rm | Wydłużenie A (min.) | Typowe zastosowanie |
|---|---|---|---|---|
| S235 | 235 MPa (PN-EN 10025-2) | 360–510 MPa (PN-EN 10025-2) | 26% (PN-EN 10025-2) | Konstrukcje ogólne, mniej obciążone elementy, ślusarka |
| S275 | 275 MPa (PN-EN 10025-2) | 410–560 MPa (PN-EN 10025-2) | 23% (PN-EN 10025-2) | Konstrukcje pośrednie, dźwigary, ramy |
| S355 | 355 MPa (PN-EN 10025-2) | 470–630 MPa (PN-EN 10025-2) | 22% (PN-EN 10025-2) | Mocno obciążone konstrukcje, hale, mosty, słupy |
| B500SP | 500 MPa (NBI 1/2018) | Rm/Re ≥ 1,15 (NBI 1/2018) | Agt min. 8% (NBI 1/2018) | Pręty zbrojeniowe do żelbetu, strefy sejsmiczne, węzły ramowe |
Warto zauważyć, że stal zbrojeniowa B500SP to gatunek o podwyższonej ciągliwości (klasa C), dedykowany do konstrukcji żelbetowych narażonych na obciążenia dynamiczne.
Charakteryzuje ją korzystny stosunek Rm/Re oraz wysoka wartość wydłużenia całkowitego przy sile maksymalnej Agt (NBI 1/2018), co przekłada się na bezpieczne zachowanie konstrukcji.
Dlaczego o doborze profilu decyduje ugięcie, a nie gatunek?
Tu dochodzimy do najważniejszego, a często pomijanego wniosku. W projektowaniu konstrukcji stalowych sprawdza się dwa niezależne stany graniczne.
Pierwszy to stan graniczny nośności (SGN), w którym liczy się, czy element wytrzyma obciążenie i się nie zniszczy.
Tu decyduje granica plastyczności: nośność obliczeniową uzyskuje się, dzieląc fy przez współczynnik częściowy γM0 = 1,0 (PN-EN 1993-1-1). W tym stanie mocniejszy gatunek faktycznie pozwala przenieść większe obciążenie lub zmniejszyć przekrój.
Drugi to stan graniczny użytkowalności (SGU), w którym sprawdza się m.in. dopuszczalne ugięcie elementu.
Typowy limit dla belek stropowych to np. L/250 dla obciążeń całkowitych (gdzie L to rozpiętość), a dla elementów bardziej wrażliwych bywa surowszy. Ugięcie belki zależy od modułu Younga E, momentu bezwładności przekroju I oraz rozpiętości i obciążenia. Ponieważ E = 210 GPa jest takie samo dla S235 i S355 (PN-EN 1993-1-1), zamiana gatunku nie zmniejszy ugięcia ani o milimetr.
Jeśli więc o wymiarach belki decyduje kryterium ugięcia, to jedynym skutecznym rozwiązaniem jest zwiększenie sztywności geometrycznej, czyli dobór profilu o większym momencie bezwładności (wyższego dwuteownika), a nie przepłacanie za wyższy gatunek.
Mit: „S355 jest sztywniejsza od S235”
To jedno z najczęstszych nieporozumień. S355 nie jest sztywniejsza od S235. Ma wyższą granicę plastyczności i wytrzymałość, więc jest mocniejsza, ale jej moduł sprężystości jest identyczny i wynosi E = 210 GPa (PN-EN 1993-1-1).
Belka z S355 pod tym samym obciążeniem ugnie się dokładnie tak samo jak belka z S235 o tym samym przekroju. Wyższy gatunek zwiększa zapas nośności, ale nie sztywność.
Jaką stal wybrać na zbrojenie żelbetu?
Standardem w polskim budownictwie jest stal zbrojeniowa B500SP o podwyższonej ciągliwości (klasa C), o granicy plastyczności 500 MPa (NBI 1/2018). Sprawdza się w konstrukcjach narażonych na obciążenia dynamiczne oraz w węzłach wymagających dużej plastyczności.
Uwaga: ten artykuł ma charakter informacyjny i nie zastępuje obliczeń konstrukcyjnych. Dobór profilu, gatunku stali oraz sprawdzenie stanów granicznych powinien zawsze wykonać uprawniony konstruktor na podstawie projektu i zestawienia obciążeń.
Chcesz lepiej zgłębić temat? Zajrzyj do naszego kompendium wiedzy o stali, sprawdź szczegółowe omówienie gatunku S355 oraz przegląd, jak dobierać gatunki stali do zastosowań.
Potrzebujesz materiału na budowę? W hurtowni stali Marstal znajdziesz sprawdzone gatunki stali konstrukcyjnej i zbrojeniowej z atestami. Zamów pręty zbrojeniowe B500SP lub przejdź do naszego sklepu i dobierz profile pod swój projekt.
Masz pytania o dostępność lub wymiary? Skontaktuj się z naszym zespołem, a pomożemy dobrać właściwy materiał.
Najczęstsze pytania (FAQ)
Jaki dwuteownik na nadproże o rozpiętości 3,2 m?
Nie da się odpowiedzialnie podać jednej odpowiedzi bez obliczeń, ponieważ dobór zależy od obciążeń (ciężar ściany, stropu, obciążenia użytkowe), warunków podparcia i wymaganego limitu ugięcia. W praktyce przy takich rozpiętościach stosuje się profile IPE lub HEB, ale ostateczny rozmiar i klasę profilu musi wyznaczyć konstruktor na podstawie zestawienia obciążeń i sprawdzenia stanów granicznych (PN-EN 1993-1-1).
Czy S355 jest sztywniejsza niż S235?
Nie. S355 jest mocniejsza (wyższa granica plastyczności i wytrzymałość), ale nie sztywniejsza. Sztywność zależy od modułu Younga, który dla obu gatunków wynosi E = 210 GPa (PN-EN 1993-1-1). Jeśli belka nadmiernie się ugina, zmiana gatunku nie pomoże, potrzebny jest większy przekrój.
Kiedy opłaca się przejść na wyższy gatunek stali?
Wtedy, gdy o wymiarach elementu decyduje nośność (SGN), a nie ugięcie. Wyższa granica plastyczności pozwala wówczas zmniejszyć przekrój lub masę konstrukcji, co obniża koszt i ciężar. Jeśli natomiast miarodajne jest kryterium ugięcia (SGU), wyższy gatunek nic nie zmieni.
Czym różni się granica plastyczności od wytrzymałości na rozciąganie?
Granica plastyczności Re to naprężenie, przy którym pojawiają się odkształcenia trwałe, i to ona jest podstawą obliczeń nośności. Wytrzymałość Rm to maksymalne naprężenie tuż przed zerwaniem. Rm jest zawsze wyższa od Re (PN-EN 10025-2).
