Важна експертна бележка: Това е архивен образователен текст, а не текуща спецификация на дизайна, статично изчисление, доказателство за товароносимостта или инструкции за производство и монтаж. Проектирането на стоманени конструкции трябва да включва действителни ефекти, фуги, стабилност, умора, пожар, корозия и всички други съответни условия съгласно валидните разпоредби и стандарти, с отговорност на упълномощения проектант.

Проектирането и изграждането на стоманени конструкции не е част от настоящата публична оферта на Savo Kusić. Днешният производствен фокус се състои от дървени прозорци, дървено-алуминиеви прозорци и врати по поръчка.

Стоманените конструкции имат обща характеристика в това, че са направени главно от горещо валцована стомана. Свързването се извършва с помощта на нитове, винтове или заваряване. Това включва стоманени конструкции за мостове, сгради, промишленост и минно дело, хидротехническо инженерство, стълбове, кули, резервоари, в по-широк смисъл и за кранове, корабостроене, котли и др. Фокусът на следващите презентации е третирането на основни понятия.

Материали

Основният конструктивен материал на стоманените конструкции са валцувани профили от строителна качествена стомана S235, S275, S355, S420, S450. В зависимост от стандарта има няколко различни типа строителна стомана, където числото в класификацията обикновено показва якостта на опън на стоманата. Има няколко буквени символа, където в този случай S означава структурна стомана. Най-често използваните форми са S, B (бетонни стомани, армировка) и Y (стомана за предварително напрягане).

Стоманени валцовани опори

Има широка гама от стоманени профилирани подпори и всяка има своето предназначение, предимства и недостатъци.

  • П-образни профили
  • I-профили с тесни крака (IPE, IPN)
  • I-профили с широки крака (HEA, HEB, HEM, HD)
  • Кухи профили/кутии (кръгли, квадратни, правоъгълни)
  • Чаршафи
  • Студено формовани продукти (получени чрез студено валцуване на плоска лента и усукване на плоска лента)

Всеки от тези профили се различава по форма, размери, предназначение и т.н. Например, има над 20 различни IPN профили, които се различават по размери; по-големите профили могат по-добре да издържат на изкълчване (огъване и странично усукване), деформации и др.

Има четири класа стомана в зависимост от това дали достигат границата на провлачване при увеличаване на напрежението, дали анализът е пластичен или еластичен, каква е товароносимостта на напречното сечение и т.н., като първият клас е най-добър, а четвъртият е най-лош. Повече за структурата и здравината на стоманата можете да прочетете тук.

Изравняване на напрежението и товароносимост при постоянно натоварване

Носимоспособност. Размерите на стоманените конструкции са определени така, че да се изключат значителни трайни деформации. Носещата способност, от друга страна, в много случаи не се изчерпва по никакъв начин, когато най-високото сравнително напрежение достигне границата на провлачване - тогава деформациите растат много по-бързо от напреженията. За конструкционна стомана същата зависимост като при провлачване може да се приеме като граница на закона на Хук за общи състояния на напрежение. В случай на хомогенни напрегнати състояния, които са еднакви на всяко място, не настъпват промени, когато се превиши границата на пропорционалност, освен че общите деформации нарастват по-бързо от напрежението.

Изравняване на напрежението при огъване. В случай на огъване на греда се прилага праволинейното разпределение на напрежението съгласно хипотезата на Navier, докато напрежението на ръба σ=M/W не превиши границата на пропорционалност. Надлъжни разширения ε = ε(σ). Това важи поне за малки завои. Напреженията, които са по-високи от пропорционалното напрежение, могат да растат само по-бавно от разширенията ε. На фиг. 1 показва разпределението на напрежението при огъване за дадената работна диаграма и за различни стойности на разширение на ръба. Поради това зоната на пропорционалност (маркирана с кръг на всички напреженови линии) става все по-малка и по-малка с увеличаване на дилатацията на ръба. Крайното напрежение първо се ограничава от σF. Само след много значителни деформации максималното напрежение се повишава над σF, така че влиянието на структурната стоманена армировка става видимо (случай 5).

Разпределение на напрежението при огъване при различни разширения на ръба

Фиг. 1 - Изравняване на напрежението при огъване

Изравняване на пиковете на напреженията. Разпределението на надлъжните напрежения през сечението през средата на отвора в един опънат пробит прът приблизително съответства на линията 2 на фиг. 2. Пикът на напрежението σmax зависи от съотношението d/b. Най-често е около σmax = 2-3 σm, където σm = S/FM означава средната стойност на напрежението на опън в участъка, отслабен от отвора при FM. Сл. 2 е валиден, докато състоянието на напрежение надвиши P-лимита. При по-големи натоварвания, за да се постигне известна дилатация, са необходими напрежения, по-ниски от тези по праволинейния закон, само в близост до отвора. В най-напрегнатите точки тогава напреженията вече няма да нарастват пропорционално на S, а по-скоро по-бавно. На границата ще се получи приблизително равномерно разпределение на надлъжните напрежения σm = σf по цялото сечение 2-2. Срязващите и напречните напрежения бяха пренебрегнати. Появата на изравняване на напреженията по време на бавното нарастване на силата S в пръта доказват, че обичайният начин на стоманени конструкции под въздействието на статично натоварване е оправдан, да се игнорират пиковете на напрежението по време на оразмеряването и да се сравнява само средното напрежение σm=S/Fm в отслабеното сечение Fm с допустимата стойност.

Разпределение на напрежението около отвор в опънат стоманен прът

Фиг. 2

Процедура за оразмеряване според товароносимостта

При увеличаване на товара се получава изравняване на напрежението в участъка. При това напреженията се прегрупират от най-напрегнатите части на сечението към по-малко напрегнатите. Докато деформациите не са толкова големи, че да трябва да се вземат под внимание при определяне на условията на равновесие, този процес не може да промени нищо върху величината на влиянието на S, M и т.н. за статично определени структури.

Непрекъснати и рамкови опори: при допускането на закона на Хук моментната линия, показана под a, се получава за една непрекъсната опора с постоянно сечение (фиг. 3). Напреженията на огъване са пропорционални на моментите на огъване M. Ако и двете натоварвания нарастват еднакво, P-лимитът първо ще бъде превишен при средната опора B. Границата на лагеруване е достигната, когато ограничителният момент MDF е достигнат и в полето. В случай на греда, закрепена от двете страни на постоянно симетрично сечение с концентрирана сила (фиг. 4), изравняване на моментите съществува от самото начало. Когато P-лимитът бъде превишен, няма промяна в разпределението на момента. Напротив, в случай на равномерно разпределено натоварване (фиг. 5) изравняването на моментите води до намаляване на момента на прищипване от -2/3 Mo до -1/2 Mo.

Диаграма на двойно затегната греда с концентрирана сила

Фиг. 4

Моментни линии преди и след преразпределение на момента

Фиг. 3 и други подобни. 5, съответно: огъващи моменти: а) преди, б) гранично състояние след прегрупиране на силата; а) преди, б) след изравняване на момента

Решетъчни конструкции: при вътрешно статически неопределими ферми има подобни зависимости както при рамковите конструкции. Вторичните напрежения, които са свързани с възлите, които са твърди при огъване, могат да бъдат пренебрегнати в първото приближение при оценката на товароносимостта. Пластифицираните секции действат подобно на ставите, така че статичното действие на трегера при крайното натоварване, което все още може да носи, е по-близо до това на идеална ферма със стави във възлите. В случай на конструкции с често повтарящи се натоварвания, при които трябва да се вземат предвид явленията на якост на умора, следователно има значителни съмнения срещу вземането под внимание на изравняването на силите по време на оразмеряването. Напротив, от практическо значение е да се направи заключение за влиянието на изместването на опорите. Тъй като работната якост на отделните конструктивни елементи зависи само от границите на напрежението, а не от размера на общите деформации, преместванията на опорите не оказват влияние върху носещата способност.

Променливо натоварване: предположението за случай на постоянно натоварване рядко се реализира. При мостовите греди има променливи състояния на натоварване. Предположенията за силите и разпределението на напрежението в отделните конструктивни елементи, които опростяват, са често срещани в практическата работа със стоманени конструкции, според предишното те са оправдани при обикновени обстоятелства. Това е особено вярно за пренебрегване на локални пикове на напрежението. Не може да се препоръча прилагането на метода за оразмеряване според товароносимостта при (динамично) натоварване от умора. По този начин процедурата за оразмеряване според товароносимостта е ограничена до случая на предимно статични натоварвания, особено за конструкции в строителната индустрия. В други случаи, когато трябва да се обърне внимание на появата на умора, ще трябва да се изключат значителни деформации и да се вземе за основа теорията на еластичността. При това трябва да се стремим към достатъчно голямо разстояние от границата на провлачване. Издръжливостта на строителната стомана осигурява известна допълнителна сигурност.

Променливо ударение

Студено разтягане и стареене: На фиг. 6 беше приложена линията на разширяване на напрежението на кръгъл прът, който беше изложен на редуващи се напрежения на опън и натиск. Индивидуалните процеси на зареждане са маркирани с номера според техния ред. Еластични дилатации, които се връщат при разтоварване, се появяват и след големи разтягания, пропорционални на напреженията. При промяна на знака на напрежението P-лимитът почти напълно изчезва. Поради това еластичните свойства на строителната стомана, изтеглена в студено състояние, не съответстват на първоначалните стойности. В зависимост от предишната обработка могат да се покажат доста значителни разлики.

Линия на напрежение–дилатация при променливо натоварване на стоманен прът

Фиг. 6

Заедно с това идват още признаци на стареене. Този термин включва всички промени в свойствата, които се случват във времето без външно влияние. Стареене при разтягане може да се наблюдава след трайна деформация чрез студено разтягане. Ако постоянно опънатите образци за изпитване се оставят за известно време без натоварване при стайна температура, якостта на опън и в по-малка степен якостта на разкъсване се повишава над първоначалната стойност, докато удължението при скъсване намалява (фиг. 7). Процесът на стареене продължава с дни, но се намалява до няколко часа или само минути, ако структурната стомана се нагрее до около 300 oC. Трябва също да се спомене, че стареенето при разтягане настъпва едновременно с разтягането, ако това се случи при темп. 200 – 400 oC, т.е. в зоната на синьо сияние.

Сравнение на дилатацията на презаредена и студено опъната пръчка

Фиг. 7 - а) разширителна линия на двойно натоварен прът; б) линия на разширение на прът, опънат в студено състояние

Последващо действие и хистерезис: В напълно еластичен материал съществува недвусмислена взаимна зависимост между напрегнатото и деформационното състояние, така че определени напрежения винаги съответстват на едни и същи деформации и обратно. При даден закон за еластичност деформациите не зависят от времето, изминало от прилагането на натоварването, а също и от начина, по който се прилага натоварването. Отклоненията от чисто еластичното поведение могат да бъдат описани в две степени на приближение: в еластичната област има малки отклонения; те могат да бъдат пренебрегнати в първото приближение. Те могат да се определят чрез точни измервания, особено когато се сравнява напрежението по-близо до границата на еластичност. А именно дилатацията не е само функция на напрежението, но при затворен цикъл на натоварване и същото напрежение винаги е малко по-малка при разтоварване, отколкото при натоварване. Отклонение от пълна еластичност, т.е. разликата между съответните разширения при еднакви напрежения се нарича еластичен хистерезис. Ако цикълът на натоварване се повтаря по-често, това се получава при не много високи напрежения - затворен контур на хистерезис или затихване. Сл. 8 показва контурите на затихване за различни стойности на AC натоварване. Ширината на бримките се увеличава силно с височината на напрежението. Площта на цикъла е пропорционална на деформационната работа, която се губи при всеки цикъл и се превръща в топлина. Също така, деформациите са променливи не само с височината на напрежението, но и с времето, те зависят от скоростта и начина на натоварване. Частта от деформацията, която зависи от времето, се нарича последействие. Хистерезисът и последващото действие възникват едновременно. По правило те нямат практическо значение за тези видове строителни стомани, които се срещат в стоманени конструкции при стайна температура.

Хистерезисни вериги при различни нива на променливо натоварване

Сл. 8

Забележка за приложението: Исторически обозначения на материали, допускания, диаграми и процедури в текста не трябва да се използват като заместител на настоящите стандарти, специфични характеристики на продукта, изчислителен модел и експертна проверка на цялостната конструкция.