Wat betekenen vloeigrens en treksterkte bij staal?
De vloeigrens markeert blijvende vervorming; de treksterkte is de hoogste spanning die staal tijdens een trekproef kan bereiken.
Vloeigrens en treksterkte zijn belangrijke mechanische eigenschappen bij de keuze en beoordeling van constructiestaal, stalen buizen, buispalen en funderingsbuizen. Ze beschrijven het sterktegedrag van het materiaal, maar bepalen niet zelfstandig hoeveel belasting een complete buis of staalconstructie kan dragen.
Wat is de vloeigrens van staal?
De vloeigrens van staal is de spanning waarbij de overgang van elastische naar plastische vervorming begint. Onder deze grens vervormt staal hoofdzakelijk elastisch. Wanneer de belasting wordt weggenomen, keert het materiaal vrijwel terug naar zijn oorspronkelijke vorm.
Zodra de vloeigrens wordt overschreden, ontstaat plastische of blijvende vervorming. Na het verwijderen van de belasting blijft het staal dan gedeeltelijk vervormd. Het materiaal hoeft op dat moment nog niet te breken, maar herstelt niet meer volledig tot zijn oorspronkelijke vorm.
De vloeigrens wordt meestal uitgedrukt in megapascal (MPa) of newton per vierkante millimeter (N/mm²). Deze eenheden zijn numeriek gelijk:
1 MPa = 1 N/mm²
Een vloeigrens van 355 N/mm² betekent dat een proefstuk bij een trekproef vanaf ongeveer deze materiaalspanning blijvend kan gaan vervormen. Deze waarde zegt niet rechtstreeks hoeveel kilonewton een volledige stalen buis kan opnemen. Daarvoor zijn ook de diameter, wanddikte, lengte, doorsnede, oplegging en belastingrichting van belang.
Gerelateerde termen voor vloeigrens zijn onder meer rekgrens, vloeispanning, yield strength en yield stress. De term elasticiteitsgrens wordt soms als synoniem gebruikt, maar heeft technisch niet altijd exact dezelfde betekenis.
Wat is de treksterkte van staal?
De treksterkte van staal is de hoogste nominale trekspanning die tijdens een gestandaardiseerde trekproef wordt bereikt. Deze materiaaleigenschap wordt doorgaans aangeduid met Rm. In constructieve normen en berekeningen wordt ook fu gebruikt voor de nominale uiterste treksterkte.
Na het bereiken van de vloeigrens kan constructiestaal meestal nog verder worden uitgerekt en belast. Het materiaal bevindt zich dan in het plastische gebied. Door versteviging van het materiaal, ook wel strain hardening of koudversteviging genoemd, kan de benodigde trekkracht aanvankelijk nog toenemen.
Bij het bereiken van de treksterkte is de maximale nominale spanning bereikt. Daarna ontstaat doorgaans plaatselijke insnoering. De doorsnede van het proefstuk wordt lokaal steeds kleiner, waarna het materiaal uiteindelijk breekt.
De treksterkte is daarom niet exact hetzelfde als de spanning op het breukmoment. Het is de hoogste spanning die wordt berekend met de oorspronkelijke doorsnede van het proefstuk. De spanning waarbij het proefstuk daadwerkelijk breekt, wordt soms breukspanning genoemd.
Wat is het verschil tussen vloeigrens en treksterkte?
Het belangrijkste verschil is dat de vloeigrens aangeeft wanneer blijvende vervorming begint, terwijl de treksterkte de hoogste nominale trekspanning aangeeft die staal tijdens een trekproef bereikt.
| Eigenschap | Vloeigrens | Treksterkte |
|---|---|---|
| Betekenis | Begin van plastische vervorming | Hoogste nominale spanning tijdens de trekproef |
| Gebruikelijke symbolen | ReH, ReL, Rp0,2 of fy | Rm of fu |
| Materiaalgedrag | Staal blijft na ontlasting vervormd | Maximale weerstand tegen trekbelasting is bereikt |
| Positie in het spanning-rekdiagram | Overgang naar het plastische gebied | Na de vloeigrens en vóór de breuk |
| Belang in constructies | Vaak bepalend voor de constructieve weerstand | Relevant voor breukweerstand en ductiliteit |
| Eenheid | MPa of N/mm² | MPa of N/mm² |
Bij gangbaar constructiestaal ligt de treksterkte hoger dan de vloeigrens. Tussen beide waarden kan het staal plastisch vervormen zonder direct te breken. Deze vervormingsreserve is belangrijk voor het ductiele gedrag van staalconstructies.
Hoe worden vloeigrens en treksterkte gemeten?
De vloeigrens en treksterkte worden bepaald met een trekproef op staal. Daarbij wordt een gestandaardiseerd proefstuk in een trekbank geplaatst en gecontroleerd in de lengterichting belast. De methode voor trekproeven op metalen bij kamertemperatuur is vastgelegd in NEN-EN-ISO 6892-1.
Tijdens de proef worden onder meer de trekkracht en de verlenging gemeten. De nominale spanning wordt berekend door de gemeten kracht te delen door de oorspronkelijke doorsnede van het proefstuk:
Spanning = kracht / oorspronkelijke doorsnede
De rek wordt berekend door de verlenging te vergelijken met de oorspronkelijke meetlengte. De resultaten worden weergegeven in een spanning-rekdiagram.
In dit diagram zijn doorgaans de volgende fasen herkenbaar:
- elastische vervorming;
- het bereiken van de vloeigrens of rekgrens;
- plastische vervorming;
- versteviging van het materiaal;
- het bereiken van de treksterkte;
- insnoering;
- breuk.
Het spanning-rekdiagram maakt niet alleen de vloeigrens en treksterkte zichtbaar. Ook de elasticiteitsmodulus, rek bij breuk, vervormbaarheid en het vloeigedrag van staal kunnen ermee worden beoordeeld.
Wat betekenen ReH, ReL en Rp0,2?
Niet iedere staalsoort vertoont tijdens een trekproef hetzelfde vloeigedrag. Daarom kunnen verschillende waarden worden gebruikt om de vloeigrens of rekgrens vast te leggen.
ReH: bovenste vloeigrens
ReH is de bovenste vloeigrens. Dit is de hoogste spanning die wordt gemeten bij het begin van een duidelijk waarneembaar vloeiverschijnsel.
ReL: onderste vloeigrens
ReL is de onderste vloeigrens. Dit is de laagste spanning die tijdens het vloeien wordt gemeten nadat de bovenste vloeigrens is gepasseerd.
Rp0,2: de 0,2%-rekgrens
Bij staal zonder duidelijk vloeiplateau wordt vaak de 0,2%-rekgrens Rp0,2 bepaald. Dit is de spanning waarbij na ontlasting een blijvende plastische rek van 0,2% aanwezig is.
Rp0,2 wordt ook de conventionele rekgrens, technische rekgrens of 0,2%-offsetgrens genoemd. Op een materiaalcertificaat kan daarom ReH, ReL of Rp0,2 staan, afhankelijk van de staalsoort, productnorm en het gemeten materiaalgedrag.
Wat betekenen S235, S275 en S355?
Bij Europese constructiestalen verwijst het getal in de staalsoortaanduiding naar de gespecificeerde minimale vloeigrens voor het eerste relevante diktebereik van de productnorm.
- S235 heeft een nominale minimale vloeigrens van 235 N/mm²;
- S275 heeft een nominale minimale vloeigrens van 275 N/mm²;
- S355 heeft een nominale minimale vloeigrens van 355 N/mm².
De letter S staat voor structural steel, oftewel constructiestaal. S355 heeft bij een vergelijkbare doorsnede een hogere vloeigrens dan S235 en kan daardoor een hogere materiaalspanning opnemen voordat plastische vervorming begint.
De staalsterkte mag echter niet uitsluitend uit het getal in de staalaanduiding worden afgeleid. De minimale vloeigrens kan bij grotere materiaal- of wanddiktes afnemen. Ook treksterkte, kerftaaiheid, rek, chemische samenstelling, lasbaarheid en leveringsconditie kunnen per staalsoort en productnorm verschillen.
Een S355-buis is daarom niet automatisch sterker dan iedere S235-buis als complete constructie. Een S235-buis met een grote diameter en dikke wand kan een hogere constructieve capaciteit hebben dan een kleinere, dunwandige S355-buis.
Vloeigrens en treksterkte van S355J2H
S355J2H is een veelgebruikte staalsoort voor constructieve holle profielen en stalen buizen. De aanduiding bevat meerdere technische kenmerken:
- S staat voor constructiestaal;
- 355 verwijst naar de minimale vloeigrens binnen het toepasselijke diktebereik;
- J2 duidt op een minimale gemiddelde kerfslagenergie van 27 joule bij −20 °C;
- H staat voor hollow section, oftewel hol profiel.
De aanduiding J2 zegt dus niets over de treksterkte, maar over de kerftaaiheid bij lage temperatuur. De H geeft aan dat het om een constructief hol profiel gaat.
Voor koudgevormde gelaste constructieve buizen is EN 10219 relevant. Voor warmgevormde constructieve holle profielen wordt EN 10210 toegepast. De exacte vloeigrens, treksterkte en rek moeten altijd worden gecontroleerd in de productnorm die bij het materiaal hoort.
S355J2, S355J2H, S355J0H en S355NH zijn daarom niet zonder meer onderling uitwisselbaar. De toevoegingen beschrijven onder meer kerfslagwaarden, productvorm en leveringsconditie.
Welke invloed heeft de wanddikte op de vloeigrens?
De nominale vloeigrens van constructiestaal kan afhankelijk zijn van de materiaaldikte. In verschillende Europese staalnormen neemt de gegarandeerde minimale vloeigrens af naarmate de nominale dikte groter wordt.
Dit betekent dat de aanduiding S355 niet in iedere situatie automatisch een vloeigrens van exact 355 MPa garandeert. Deze waarde geldt voor het eerste diktebereik dat in de toepasselijke productnorm is opgenomen. Voor grotere diktes kan een lagere minimale waarde gelden.
Bij de technische beoordeling van een stalen buis moeten daarom de volgende gegevens gezamenlijk worden gecontroleerd:
- staalsoort;
- productnorm;
- nominale wanddikte;
- leveringsconditie;
- gemeten materiaalwaarden;
- materiaal- of staalcertificaat.
Dit is vooral belangrijk bij dikwandige constructiebuizen, funderingsbuizen en buispalen met grote diameters.
Waarom zijn vloeigrens en treksterkte belangrijk bij stalen buizen?
De vloeigrens is een belangrijke ontwerpparameter voor de weerstand van een stalen buis tegen trek, druk, buiging en gecombineerde belasting. Een hogere vloeigrens kan een hogere materiaalspanning mogelijk maken voordat blijvende vervorming ontstaat.
De treksterkte is relevant voor het uiterste materiaalgedrag, de breukweerstand en de beschikbare reserve nadat het staal begint te vloeien.
De belastbaarheid van een stalen buis wordt echter door meer bepaald dan alleen de mechanische eigenschappen van het staal. Belangrijke factoren zijn:
- buitendiameter;
- wanddikte;
- doorsnedeoppervlak;
- weerstandsmoment;
- traagheidsmoment;
- lengte en effectieve kniklengte;
- lokale en globale stabiliteit;
- ovaliteit en rechtheid;
- lasnaad en verbindingen;
- corrosie en resterende wanddikte;
- statische, dynamische en cyclische belasting.
Een lange, slanke buis kan door knik bezwijken voordat de vloeigrens in de volledige doorsnede wordt bereikt. Een dunwandige buis kan lokaal plooien of ovaliseren. Bij buiging kan de vloeigrens eerst aan de buitenzijde van de doorsnede worden overschreden.
De vloeigrens van staal mag daarom niet worden gelijkgesteld aan de maximale draagkracht van een stalen buis.
Betekenis voor buispalen en funderingsbuizen
Bij buispalen, heibuizen en funderingsbuizen kunnen druk-, trek-, buig- en schuifspanningen gelijktijdig optreden. Tijdens het heien, intrillen of indrukken ontstaan bovendien dynamische uitvoeringsbelastingen en lokale spanningsconcentraties.
De vloeigrens helpt bepalen wanneer de buiswand blijvend kan vervormen. De treksterkte geeft informatie over het maximale materiaalniveau dat tijdens trekbelasting kan worden bereikt.
Voor de draagkracht van een buispaal zijn daarnaast onder meer relevant:
- grondweerstand langs de schacht;
- puntweerstand;
- paallengte en inheidiepte;
- kniklengte;
- grondlagen en bodemopbouw;
- diameter-wanddikteverhouding;
- lasverbindingen en koppelingen;
- corrosietoeslag;
- vermoeiingsbelasting;
- uitvoeringsmethode.
Een hogere vloeigrens kan bij een constructieve optimalisatie soms een kleinere wanddikte of een lager staalgewicht mogelijk maken. Dit is alleen verantwoord wanneer ook stabiliteit, vervorming, lasbaarheid, duurzaamheid en uitvoeringsbelastingen zijn gecontroleerd.
Wat is het verschil tussen sterkte en stijfheid van staal?
Vloeigrens en treksterkte beschrijven de sterkte van staal. Sterkte geeft aan hoeveel spanning het materiaal kan opnemen voordat blijvende vervorming begint of de maximale trekspanning wordt bereikt.
Stijfheid beschrijft hoeveel een materiaal elastisch vervormt onder belasting. Voor constructiestaal wordt deze eigenschap hoofdzakelijk bepaald door de elasticiteitsmodulus of Young’s modulus E. Voor gangbare constructiestalen bedraagt deze waarde ongeveer 210.000 MPa.
S355 is dus sterker dan S235, maar niet wezenlijk stijver. Een buis van S355 en een geometrisch gelijke buis van S235 zullen bij dezelfde elastische belasting ongeveer evenveel doorbuigen. De S355-buis kan wel een hogere spanning opnemen voordat blijvende vervorming begint.
Dit onderscheid is belangrijk bij vragen zoals:
- is S355 sterker dan S235;
- buigt S355 minder door dan S235;
- bepaalt de staalsoort de stijfheid van een buis;
- wat bepaalt de draagkracht van een stalen buis?
Vloeigrens, treksterkte en ductiliteit
Ductiliteit is het vermogen van staal om plastisch te vervormen voordat breuk optreedt. Een ductiel materiaal kan na het overschrijden van de vloeigrens nog aanzienlijke vervorming opnemen.
De verhouding tussen vloeigrens en treksterkte wordt vaak weergegeven als fy/fu, Re/Rm of de omgekeerde verhouding fu/fy. Deze verhouding geeft mede inzicht in de beschikbare verstevigings- en vervormingsreserve.
Ductiliteit kan echter niet uitsluitend uit deze verhouding worden bepaald. Ook de volgende eigenschappen zijn relevant:
- rek bij breuk;
- gelijkmatige rek;
- taaiheid;
- kerfslagwaarde;
- materiaalstructuur;
- lasdetails;
- temperatuur;
- spanningsconcentraties.
Voor staalconstructies is niet alleen een hoge sterkte wenselijk. Een evenwichtige combinatie van vloeigrens, treksterkte, vervormbaarheid, taaiheid en lasbaarheid is minstens zo belangrijk.
Welke waarden staan op een 3.1-certificaat?
De werkelijke mechanische eigenschappen van een staalpartij kunnen worden vermeld op een 3.1-certificaat volgens EN 10204. Afhankelijk van de productnorm en uitgevoerde keuring kunnen daarop onder meer de volgende gegevens staan:
- ReH, ReL of Rp0,2;
- treksterkte Rm;
- rek na breuk;
- kerfslagwaarde;
- chemische samenstelling;
- koolstofequivalent;
- staalsoort;
- productnorm;
- afmetingen;
- chargenummer of heat number;
- leveringsconditie.
De gemeten vloeigrens en treksterkte kunnen hoger zijn dan de minimale waarden die voor de staalsoort zijn voorgeschreven. Voor ontwerp en materiaalacceptatie moet echter worden gecontroleerd welke nominale of karakteristieke waarden volgens de toepasselijke norm en projectspecificatie mogen worden gebruikt.
Een certificaat is alleen bruikbaar wanneer het aantoonbaar bij de betreffende buizen hoort. Traceerbaarheid via het chargenummer, de productmarkering en leveringsdocumenten is daarom essentieel.
Vloeigrens en treksterkte vormen samen de basis voor het beoordelen van de mechanische sterkte van staal. Voor een volledige beoordeling van stalen buizen, constructiebuizen en funderingsbuizen moeten deze waarden altijd worden gecombineerd met de productnorm, geometrie, taaiheid, lasbaarheid, belastingstoestand en traceerbaarheid.
Advies over staalsterkte en de juiste stalen buis
Heeft u vragen over de vloeigrens, treksterkte of geschiktheid van een staalsoort voor uw constructie, buispaal of funderingstoepassing? De specialisten van Solines denken technisch met u mee.
