أساسيات الهياكل الفولاذية

ملاحظة مهنية مهمة: هذا نص تعليمي أرشيفي، وليس مواصفات التصميم الحالية أو الحساب الثابت أو إثبات سعة الحمولة أو تعليمات التصنيع والتجميع. يجب أن يشتمل تصميم الهياكل الفولاذية على الإجراءات الفعلية والوصلات والثبات والتعب والحريق والتآكل وجميع الشروط الأخرى ذات الصلة وفقًا للأنظمة والمعايير المعمول بها، وعلى مسؤولية المصمم المعتمد.

إن تصميم وبناء الهياكل الفولاذية ليس جزءًا من العرض العام الحالي لشركة Savo Kusic. يتكون تركيز الإنتاج اليوم من النوافذ الخشبية، النوافذ الخشبية المصنوعة من الألومنيوم والأبواب المخصصة.

تتميز الهياكل الفولاذية بميزة مشتركة تتمثل في أنها مصنوعة في الغالب من الفولاذ المدرفل على الساخن. يتم الانضمام باستخدام المسامير أو البراغي أو اللحام. ويشمل ذلك الهياكل الفولاذية للجسور والمباني والصناعة والتعدين والهندسة الهيدروليكية والأعمدة والأبراج والخزانات، بالمعنى الأوسع، وللرافعات وبناء السفن والغلايات، وما إلى ذلك. وتركز العروض التقديمية التالية على معالجة المفاهيم الأساسية.

المواد

مواد البناء الرئيسية للإنشاءات الفولاذية هي مقاطع مدرفلة من الفولاذ عالي الجودة S235، S275، S355، S420، S450. اعتمادًا على المعيار، هناك عدة أنواع مختلفة من فولاذ البناء، حيث يشير الرقم الموجود في التصنيف عادةً إلى قوة الشد للصلب. هناك العديد من رموز الحروف، حيث يشير حرف S في هذه الحالة إلى الفولاذ الهيكلي. الأشكال الأكثر استخدامًا هي S وB (الفولاذ الخرساني والتسليح) وY (الفولاذ المسبق الإجهاد).

دعامات فولاذية مدرفلة

هناك مجموعة واسعة من الدعامات الفولاذية ولكل منها غرضها ومزاياها وعيوبها.

• ملفات تعريف U
• ملفات تعريف I ذات أرجل ضيقة (IPE، IPN)
• ملفات تعريف I بأرجل واسعة (HEA، HEB، HEM، HD)
• مقاطع/صناديق مجوفة (دائرية، مربعة، مستطيلة)
• صفائح
• المنتجات المشكلة على البارد (يتم الحصول عليها عن طريق لف شريط مسطح على البارد ولف شريط مسطح)

يختلف كل ملف من هذه الملفات الشخصية في الشكل والأبعاد والغرض وما إلى ذلك. على سبيل المثال، يوجد أكثر من 20 ملفات تعريف IPN مختلفة، والتي تختلف في الأبعاد؛ يمكن للمقاطع الأكبر حجمًا أن تتحمل بشكل أفضل الالتواء (الانحناء والالتواء الجانبي)، والانحرافات، وما إلى ذلك.

هناك أربع فئات من الفولاذ اعتمادًا على ما إذا كانت تصل إلى نقطة الخضوع عند زيادة الإجهاد، وما إذا كان التحليل بلاستيكيًا أم مرنًا، وما هي سعة تحميل المقطع العرضي، وما إلى ذلك حيث الطبقة الأولى هي الأفضل والرابعة هي الأسوأ. يمكن قراءة المزيد عن هيكل وقوة الفولاذ هنا.

معادلة الجهد والقدرة الاستيعابية عند حمل ثابت

قدرة التحمل. يتم تحديد أبعاد الهياكل الفولاذية بحيث يتم استبعاد التشوهات الدائمة الكبيرة. ومع ذلك، لا يتم استنفاد قدرة التحمل بأي شكل من الأشكال في كثير من الحالات عندما يصل أعلى إجهاد مقارن إلى نقطة الخضوع - ثم تنمو التشوهات بشكل أسرع بكثير من الضغوط. بالنسبة للصلب الإنشائي، يمكن اعتبار نفس الاعتماد عند الخضوع كحد أقصى لقانون هوك لظروف الإجهاد العامة. وفي حالة حالات الإجهاد المتجانسة، والتي تكون متساوية في كل مكان، لا تحدث تغييرات عند تجاوز حد التناسب، إلا أن التشوهات الكلية تنمو بشكل أسرع من الإجهاد.

_ معادلة الإجهاد أثناء الانحناء._ في حالة ثني الكمرات يطبق توزيع الإجهاد المستقيم حسب فرضية نافير، حتى لا يتجاوز إجهاد الحافة σ=M/W حد التناسب. التوسعات الطولية ε = ε(σ). وهذا صحيح على الأقل بالنسبة للانحناءات الصغيرة. لا يمكن أن تنمو الضغوط الأعلى من إجهاد التناسب إلا بشكل أبطأ من التوسعات ε. في الشكل. يُظهر 1 توزيع إجهاد الانحناء لمخطط التشغيل المحدد وللقيم المختلفة لتوسيع الحافة. وبالتالي فإن مساحة التناسب (المميزة بدائرة على جميع خطوط الجهد) تصبح أصغر وأصغر مع زيادة توسع الحافة. يقتصر جهد الحافة أولاً على σF. فقط بعد التشوهات الكبيرة جدًا، يرتفع الحد الأقصى للضغط فوق σF، بحيث يصبح تأثير تقوية الفولاذ الهيكلي مرئيًا (الحالة 5).

الشكل. 1 - معادلة جهد الانحناء

_ معادلة قمم الإجهاد._ إن توزيع الضغوط الطولية عبر المقطع من خلال منتصف الحفرة في قضيب حفر واحد مشدود يتوافق تقريبًا مع الخط 2 في الشكل. 2. ذروة الجهد σmax تعتمد على نسبة d/b. تكون في الغالب حول σmax = 2-3 σm، حيث σm = S/FM تشير إلى متوسط ​​قيمة إجهاد الشد في القسم الذي أضعفته الفتحة عند FM. س. 2 صالح حتى تتجاوز حالة الجهد الحد P. عند الأحمال الأعلى، ومن أجل تحقيق تمدد معين، تكون هناك حاجة إلى جهود أقل بالقرب من الثقب فقط مقارنة بقانون الخط المستقيم. في النقاط الأكثر إجهادًا، لن تزداد الضغوط بشكل متناسب مع S، بل بشكل أبطأ. عند الحدود، سيتم الحصول على توزيع موحد تقريبًا للضغوط الطولية σm = σf على القسم بأكمله 2-2. تم إهمال ضغوط القص والعرضية. إن حدوث معادلة الإجهاد أثناء الزيادة البطيئة للقوة S في القضيب يثبت أن الطريقة المعتادة للهياكل الفولاذية تحت تأثير الحمل الثابت لها ما يبررها، لتجاهل قمم الإجهاد أثناء تحديد الأبعاد ومقارنة فقط متوسط الإجهاد σm=S/Fm في القسم الضعيف Fm مع القيمة المسموح بها.

الشكل. 2

إجراء الأبعاد حسب سعة الحمولة

مع زيادة الحمل يحدث تعادل الجهد في القسم. ومن خلال القيام بذلك، يتم إعادة تجميع الضغوط من الأجزاء الأكثر إجهادًا في القسم إلى الأجزاء الأقل إجهادًا. طالما أن التشوهات ليست كبيرة جدًا بحيث يجب أخذها بعين الاعتبار عند تحديد شروط التوازن، فإن هذه العملية لا يمكن أن تغير أي شيء على حجم تأثير S، M، وما إلى ذلك بالنسبة للهياكل المحددة بشكل ثابت.

دعم مستمر وإطار: في ظل افتراض قانون هوك، يتم الحصول على خط اللحظة الموضح تحت a لدعم مستمر واحد للقسم الثابت (الشكل 3). تتناسب ضغوط الانحناء مع لحظات الانحناء M. إذا زاد كلا الحملين بالتساوي، فسيتم تجاوز الحد P أولاً عند الدعم الأوسط B. ويتم الوصول إلى حد التحمل عند الوصول إلى اللحظة المحددة MDF في الحقل أيضًا. في حالة الشعاع المثبت على جانبي مقطع متماثل ثابت مع قوة مركزة (الشكل 4)، فإن تكافؤ اللحظات موجود من البداية. عندما يتم تجاوز الحد P، لا يوجد أي تغيير في توزيع العزم. على العكس من ذلك، في حالة الحمل الموزع بالتساوي (الشكل 5) يؤدي تعادل اللحظات إلى تقليل عزم القرص من -2/3 Mo إلى -1/2 Mo.

الشكل. 4

الشكل. 3 وما شابه. 5، على التوالي: لحظات الانحناء: أ) قبل، ب) الحالة الحدية بعد إعادة تجميع القوة؛ أ) قبل، ب) بعد معادلة اللحظة

الإنشاءات الشبكية: مع الدعامات غير المحددة داخليًا، هناك تبعيات مماثلة كما هو الحال مع إنشاءات الإطار. يمكن إهمال الضغوط الثانوية المرتبطة بالعقد الصلبة في الانحناء في التقريب الأول عند تقييم سعة الحمولة. تعمل المقاطع الملدنة بشكل مشابه للمفاصل، بحيث يكون العمل الثابت للعارضة تحت الحمل النهائي الذي لا يزال بإمكانها حمله أقرب إلى الجمالون المثالي الذي يحتوي على مفاصل في العقد. في حالة الإنشاءات ذات الأحمال المتكررة بشكل متكرر، والتي يجب أن تؤخذ فيها ظواهر قوة الكلال في الاعتبار، هناك بالتالي شكوك كبيرة ضد أخذ معادلة القوى في الاعتبار أثناء تحديد الأبعاد. على العكس من ذلك، من الأهمية العملية أن نستنتج تأثير إزاحة الدعامات. نظرًا لأن قوة عمل العناصر الهيكلية الفردية تعتمد فقط على حدود الإجهاد، وليس على حجم التشوهات الإجمالية، فإن إزاحات الدعامات ليس لها أي تأثير على قدرة التحمل.

الحمل المتناوب: نادرًا ما يتم تحقيق افتراض حالة التحميل الثابت. مع عوارض الجسور، هناك حالات تحميل متغيرة. تعتبر الافتراضات المتعلقة بتوزيع القوى والضغط في العناصر الهيكلية الفردية، والتي يتم تبسيطها، شائعة في العمل العملي مع الهياكل الفولاذية، وفقًا للافتراض السابق، فهي مبررة في الظروف العادية. هذا ينطبق بشكل خاص على إهمال قمم الجهد المحلي. لا يوصى بتطبيق طريقة الأبعاد حسب سعة الحمولة في ظل أحمال الكلال (الديناميكية). وبالتالي، فإن إجراء تحديد الأبعاد وفقًا لسعة الحمولة يقتصر على حالة الأحمال الساكنة في الغالب، وخاصة في الإنشاءات في صناعة البناء. وفي الحالات الأخرى، التي ينبغي فيها الاهتمام بمظهر التعب، يجب استبعاد التشوهات الكبيرة واتخاذ نظرية المرونة كأساس. للقيام بذلك، ينبغي للمرء أن يسعى جاهدا لمسافة كبيرة بما فيه الكفاية من نقطة العائد. توفر صلابة فولاذ البناء بعض الأمان الإضافي.

الإجهاد المتناوب

التمدد البارد والشيخوخة: في الشكل. 6 تم تطبيق خط تمدد الإجهاد للقضيب المستدير، والذي تم تعريضه لضغوط الشد والضغط المتناوبة. يتم تمييز عمليات التحميل الفردية بالأرقام وفقًا لترتيبها. تحدث التوسعات المرنة التي تعود عند التفريغ أيضًا بعد امتدادات كبيرة بما يتناسب مع الضغوط. عند تغيير إشارة الجهد، يختفي الحد P بالكامل تقريبًا. ولذلك، فإن الخصائص المرنة لفولاذ البناء المسحوب في الحالة الباردة لا تتفق مع القيم الأصلية. اعتمادًا على المعالجة السابقة، يمكن إظهار اختلافات كبيرة جدًا.

الشكل. 6

مع ذلك تظهر المزيد من علامات الشيخوخة. يشمل هذا المصطلح جميع التغيرات في الخصائص التي تحدث مع مرور الوقت دون تأثير خارجي. يمكن ملاحظة شيخوخة التمدد بعد التشوه الدائم عن طريق التمدد البارد. إذا تركت عينات الاختبار الممدودة بشكل دائم لبعض الوقت دون حمل في درجة حرارة الغرفة، فإن قوة الشد، وبدرجة أقل، تزيد قوة التمزق عن القيمة الأصلية، بينما تنخفض الاستطالة عند الكسر (الشكل 7). تستمر عملية التعتيق لعدة أيام، ولكن يتم تقليلها إلى بضع ساعات أو دقائق فقط، إذا تم تسخين الفولاذ الهيكلي إلى حوالي 300 درجة مئوية. وتجدر الإشارة أيضًا إلى أن شيخوخة التمدد تحدث بالتزامن مع التمدد، إذا حدث ذلك في درجة حرارة. 200 – 400 oC، أي في منطقة التوهج الأزرق.

الشكل. 7 - أ) خط التمدد لقضيب محمّل بشكل مضاعف؛ ب) خط التمدد للقضيب الممدود في حالة باردة

الفعل اللاحق والتباطؤ: في المادة المرنة تمامًا، يوجد اعتماد متبادل لا لبس فيه بين حالة الإجهاد والتشوه، بحيث تتوافق ضغوط معينة دائمًا مع نفس التشوهات والعكس صحيح. مع وجود قانون معين للمرونة، لا تعتمد التشوهات على الوقت المنقضي منذ تطبيق الحمل، وكذلك لا تعتمد على الطريقة التي يتم بها تطبيق الحمل. يمكن وصف الانحرافات عن السلوك المرن البحت بدرجتين من التقريب: في المنطقة المرنة هناك انحرافات صغيرة؛ ويمكن تجاهلها في التقريب الأول. ويمكن تحديدها من خلال قياسات دقيقة، خاصة عند مقارنة الإجهادات الأقرب إلى حد المرونة. أي أن التمدد ليس فقط دالة للجهد، ولكن مع دورة تحميل مغلقة ونفس الجهد، يكون دائمًا أصغر قليلاً أثناء التفريغ منه أثناء التحميل. الانحراف عن المرونة الكاملة، أي. ويسمى الفرق بين التوسعات المقابلة في نفس الضغوط التباطؤ المرن. إذا تكررت دورة الحمل في كثير من الأحيان، فسيتم الحصول على جهد غير مرتفع للغاية - حلقة مغلقة من التباطؤ أو التخميد. س. يعرض 8 حلقات التخميد لقيم حمل التيار المتردد المختلفة. يزداد عرض الحلقات بقوة مع ارتفاع الجهد. تتناسب مساحة الحلقة مع عمل التشوه الذي يضيع في كل دورة ويتحول إلى حرارة. كما أن التشوهات تختلف ليس فقط مع ارتفاع الجهد ولكن أيضًا مع مرور الوقت، فهي تعتمد على سرعة وطريقة التحميل. ويسمى جزء التشوه الذي يعتمد على الوقت بالتأثير اللاحق. يحدث التباطؤ والأثر اللاحق في وقت واحد. وكقاعدة عامة، فهي ليست ذات أهمية عملية بالنسبة لتلك الأنواع من فولاذ البناء التي توجد في الهياكل الفولاذية في درجات حرارة الغرفة.

س. 8

ملاحظة التطبيق: لا ينبغي استخدام تسميات المواد التاريخية والافتراضات والرسوم البيانية والإجراءات الموجودة في النص كبديل للمعايير الحالية وخصائص المنتج المحددة ونموذج الحساب وتحقق الخبراء من البناء الشامل.