Osnovi čeličnih konstrukcija

Čelične konstrukcije imaju zajedničku osobinu u tome što se uglavnom sastoje od vruće valjanog čelika. Spajanje se vrši pomoću zakivaka, zavrtnjeva ili zavarivanjem. Ovde spadaju čelične konstrukcije za mostove, zgrade, industriju i rudarstvo, hidrogradnju, stubove, kule, rezervoare, u širem smislu i za kranove, brodogradnju, kotlove, itd. Težište sledećih izlaganja je obrada osnovnih pojmova.

Materijali

Glavni građevinski materijal čeličnih konstrukcija su valjani profili iz građevinskog kvaliteta čelika S235, S275, S355, S420, S450. U zavisnosti od standarda, postoji više različitih tipova građevinskog čelika, gde broj u klasifikaciji najčešće označava granicu razvlačenja čelika. Postoji više slovnih simbola, gde u ovom slučaju S označava konstrukcioni čelik. Najčešći oblici koji se koriste su S, B (betonski čelici, armatua) i Y (čelik za prednaprezanje).

Čelični valjani nosači

Postoji širok spektar čeličnih profilisanih nosača i svaki ima svoju namenu, prednosti i mane.

• U-profili
• I-profili sa uskim nožicama (IPE, IPN)
• I-profili sa širokim nožicama (HEA, HEB, HEM, HD)
• Šuplji profili/kutije (kružni, kvadratni, pravougaoni)
• Limovi
• Hladnooblikovani proizvodi (dobijaju se hladnim valjanjem ravne trake i previjanjem ravne trake)

Svaki od ovih profila se razlikuje po obliku, dimenzijama, nameni i sl. Na primer, postoji preko 20 različitih IPN profila, koji se razlikuju po dimenzijama; veći profili mogu bolje da podnesu izvijanje (fleksiono i bočno-torziono), ugibe, itd.

Postoje četiri klase čelika u zavisnosti od toga da li pri povećanju napona dostižu granicu razvlačenja, da li je analiza plastična ili elastična, kakva je nosivost poprečnog preseka itd. gde je prva klasa najbolja a četvrta najlošija. Više o strukturi i čvrstoći čelika se može pročitati ovde.

Izjednačavanje napona i nosivost pri mirnom opterećenju

Nosivost. Dimenzije čeličnih konstrukcija određuju se tako da su isključene znatnije stalne deformacije. Nosivost, pak, u mnogim slučajevima nije ni na koji način iscrpljena kad najveći uporedni napon dostigne granicu tečenja – tada deformacije rastu mnogo brže nego naponi. Za građevinski čelik može se uzeti kod opštih naponskih stanja kao granica važnosti Hukovog zakona ista zavisnost kao pri nastupanju tečenja. Kod homogenih naponskih stanja, koja su jednaka na svakom mestu, ne javljaju se sa prekoračenjem granice proporcionalnosti nikakve promene, osim što ukupne deformacije brže rastu od napona.

Izjednačavanje napona pri savijanju. U slučaju savijanja neke grede važi pravolinijska podela napona prema hipotezi Naviera, sve dok ivični napon σ=M/W ne pređe granicu proporcionalnosti. Podužne dilatacije ε = ε(σ). Ovo važi bar za mala savijanja. Naponi koji su veći od napona proporcionalnosti mogu samo sporije da rastu od dilatacija ε. Na sl. 1 je prikazana raspodela napona savijanja za dati radni dijagram i za razne vrednosti ivične dilatacije. Oblast proporcionalnosti (na svim naponskim linijama označena kružićem) postaje prema tome sve manja sa povećanjem ivične dilatacije. Ivični napon je pri tome najpre ograničen sa σ_F. Tek posle vrlo znatnih deformacija popeće se najveći napon iznad σ_F, tako da postane vidljiv uticaj ojačanja građevinskog čelika (slučaj 5).

Sl. 1 - Izjednačavanje napona pri savijanju

Izjednačavanje naponskih vrhova. Raspodela podužnih napona po preseku kroz sredinu rupe u jednom zategnutom bušenom štapu približno odgovara liniji 2 na sl. 2. Naponski vrh σ_max zavisi od odnosa d/b. On je većinom oko σ_max = 2-3 σ_m, gde σ_m = S/F_M  označava prosečnu vrednost napona zatezanja u preseku oslabljenim rupom na F_M. Sl. 2 važi sve dok naponsko stanje ne prekorači P-granicu. Pri većim opterećenjima, da bi se postigla jedna određena dilatacija, potrebni su samo uz rupu naponi manji nego po pravolinijskom zakonu. Na najjače naprezanim mestima naponi tada neće dalje rasti proporcionalno sa S, nengo sporije. Na granici dobiće se preko celog preseka 2-2 jedna približno ravnomerna raspodela podužnih napona σ_m = σ_f. Pri tome su zanemareni smičući i poprečni naponi. Pojave izjednačavanja napona pri sporom povećanju sile S u štapu dokazuju da je opravdan uobičajen način kod čeličnih konstrukcija pod dejstvom mirnog opterećenja, da se zanemare naponski vrhovi pri dimenzionisanju i da se samo prosečni napon σ_m=S/F_m u oslabljenom preseku F_m uporedi sa dozvoljenom vrednošću.

Sl. 2

Postupak dimenzionisanja prema nosivosti

Sa povećanjem opterećenja nastupa izjednačavanje napona u preseku. Pri tome se naponi pregrupišu sa najviše napregnutih delova preseka na manje opterećene. Sve dok deformacije nisu tako velike, da se moraju uzeti u obzir pri postavljanju uslova ravnoteže, ovaj proces ne može ništa da promeni na veličini uticaja S, M itd. kod statički određenih konstrukcija.

Kontinualni i okvirni nosači: pod pretpostavkom Hukovog zakona dobija se za jedan kontinualni nosač konstantnog preseka (sl. 3) momentna linija prikazana pod a. Naponi savijanja su proporcionalni momentima savijanja M. Ako se podjednako povećavaju oba tereta, najpre će se prekoračiti P-granica na srednjem osloncu B. Granica nosivosti dostiže se kad se i u polju dostigne granični moment M_DF. Kod obostrano uklještene grede konstantnog simetričnog preseka sa koncentrisanom silom (sl. 4) izjednačavanje momenata postoji od početka. Pri prekoračenju P-granice ne javlja se promena raspodele momenata. Naprotiv, u slučaju jednakopodeljenog opterećenja (sl. 5) izjednačavanje momenata povlači smanjenje momenta uklještenja sa -2/3 M_o na -1/2 M_o.

Sl. 4

Sl. 3 i sl. 5, respektivno: momenti savijanja: a) pre, b) granično stanje posle pregrupisanja sila; a) pre, b) posle izjednačenja momenta

Rešetkaste konstrukcije: kod unutrašnje statički neodređenih rešetki postoje slične zavisnosti kao i kod okvirnih konstrukcija. Sekundarni naponi, koji su vezani za čvorove krute na savijanje, mogu biti zanemareni u prvom približavanju pri proceni nosivosti. Plastificirani preseci dejstvuju slično kao zglobovi, tako da se statičko dejstvo nosača pod krajnjim opterećenjem koje on još može da nosi bliži onome idealne rešetke sa zglobovima u čvorovima. Kod konstrukcija sa često ponavljanim opterećenjima, kod koga treba voditi računa o pojavama jačine na zamor, postoje prema tome znatne sumnje protiv uzimanja u obzir izjednačavanja sila pri dimenzionisanju. Naprotiv, od praktičnog je značaja zaključak o uticaju pomeranja oslonaca. Pošto radna jačina pojedinih konstruktivnih elemenata zavisi samo od granica napona, a ne i od veličine ukupnih deformacija, pomeranja oslonaca nemaju uticaja na nosivost.

Naizmenično opterećenje: retko je ostvarena pretpostavka konstantnog slučaja opterećenja. Kod nosača mostova postoje promenljiva stanja opterećenja. Pretpostavke o silama i raspodeli napona u pojedinim konstruktivnim elementima, koje uprošćavaju, uobičajene su u praktičnom radu sa čeličnim konstrukcijama, prema prednjem su opravdane pod običnim okolnostima. Ovo naročito važi i za zanemarivanje lokalnih naponskih vrhova. Ne može biti preporučena primena načina dimenzionisanja prema nosivosti pri (dinamičkom) opterećenju na zamor. Time je postupak dimenzionisanja prema nosivosti ograničen na slučaj pretežno mirnih opterećenja, naročito na konstrukcije u zgradarstvu. U drugim slučajevima, kod kojih treba obratiti pažnju na pojavu zamora, moraće se isključiti znatnije deformacije i uzeti kao osnova teorija elastičnosti. Pri tome treba težiti dovoljno velikom rastojanju od granice tečenja. Žilavost građevinskog čelika tada pruža izvesnu dopunsku sigurnost.

Naizmenično naprezanje

Razvlačenje u hladnom stanju i starenje: Na sl. 6 naneta je linija napon-dilatacija jednog okruglog štapa, koji je bio izložen naizmeničnim naponima zatezanja i pritiska. Pojedini procesi opterećenja su označeni brojkama prema svome redosledu. Elastične dilatacije koje se vraćaju pri rasterećenju javljaju se i posle velikih razvlačenja proporcionalno naponima. Pri promeni znaka napona, P-granica ipak skoro potpuno iščezava. Prema tome ne slažu se elastična svojstva građevinskog čelika izvlačenog u hladnom stanju sa prvobitnim vrednostima. U zavisnosti od prethodne obrade mogu se pokazati sasvim znatne razlike.

Sl. 6

Uz to dolaze još pojave starenja. Ovim se terminom obuhvataju sve promene svojstava koje se događaju tokom vremena i to bez spoljašnjeg dejstva. Starenje od razvlačenja može se opažati posle trajne deformacije razvlačenjem u hladnom stanju. Ako se ostave neko vreme bez opterećenja na sobnoj temperaturi trajno idužena probna tela, to se diže granica razvlačenja, a u manjoj meri i jačina na kidanje, preko prvobitne vrednosti, dok dilatacija pri lomu opada (sl. 7). Proces starenja proteže se danima, ali se svodi na malo časova ili samo minuta, ako se građevinski čelik zagreje na oko 300 ^oC. Treba još pomenuti da starenje od razvlačenja nastupa jednovremeno sa razvlačenjem, ako se ovo događa na temp. 200 – 400 ^oC, tj. u oblasti plavog usijanja.

Sl. 7 - a) linija dilatacije dvaput opterećenog štapa; b) linija dilatacije štapa koji je istezan u hladnom stanju

Naknadno dejstvo i histerezis: Kod potpuno elastičnog materijala postoji jednoznačna obostrana zavisnost između naponskog i deformacionog stanja, tako da određenim naponima odgovaraju uvek iste deformacije i obrnuto. Pri datom zakonu elastičnosti tada deformacije ne zavise od proteklog vremena od kada je naneto opterećenje, a isto tako ne i od načina na koji se opterećuje. Odstupanja od čisto elastičnog držanja mogu se opisati u dva stupnja približavanja: u elastičnoj oblasti mala su odstupanja; ona se mogu zanemariti u prvom priblićžavanju. Ona se pak mogu utvrditi tačnim merenjima, naročito kad se uporedi napon bliži granici elastičnosti. Naime, dilatacija nije samo funkcija napona, već je pri zatvorenom ciklusu opterećenja i istom naponu uvek nešto manja kod rasterećenja, nego kod opterećenja. Odstupanje od potpune elastičnosti tj. razlika između odgovarajućih dilatacija pri istim naponima, naziva se elastični histerezis. Ako se češće ponavlja ciklus opterećenja, to se onda dobija kod ne suviše visokih napona – zatvorena petlja histerezisa ili prigušivanja. Sl. 8 prikazuje petlje prigušivanja za razne vrednosti naizmeničnog opterećenja. Širina petlji jako raste sa visinom napona. Površina petlje proporcionalna je deformacijskom radu, koji se gubi pri svakom ciklusu i pretvara u toplotu. Takođe, deformacije su promenljive ne samo sa visinom napona nego i sa vremenom, one zavise od brzine i načina opterećenja. Udeo deformacije, koji zavisi od vremena, naziva se naknadnim dejstvom. Histerezis i naknadno dejstvo se javljaju jednovremeno. Oni su po pravilu bez praktičnog značaja za one vrste građevinskog čelika koji se javljaju u čeličnim konstrukcijama pri sobnim temperaturama.

Sl. 8