Važna stručna napomena: Ovo je arhivski obrazovni tekst, a ne trenutna specifikacija dizajna, statički proračun, dokaz nosivosti ili uputstva za proizvodnju i montažu. Projektovanje čeličnih konstrukcija mora uključivati ​​stvarne efekte, spojeve, stabilnost, zamor, vatru, koroziju i sve druge relevantne uslove u skladu sa važećim propisima i standardima, uz odgovornost ovlaštenog projektanta.

Projektovanje i izvođenje čeličnih konstrukcija nije dio aktuelne javne ponude Save Kusića. Današnji fokus proizvodnje sastoji se od drveni prozori, drveni-aluminijski prozori i vrata po narudžbi.

Čelične konstrukcije imaju zajedničku osobinu u tome što su uglavnom izrađene od toplo valjanog čelika. Spajanje se vrši pomoću zakovica, vijaka ili zavarivanja. To uključuje čelične konstrukcije za mostove, zgrade, industriju i rudarstvo, hidrotehniku, stubove, tornjeve, rezervoare, u širem smislu i za dizalice, brodogradnju, kotlove itd. Fokus narednih prezentacija je tretman osnovnih pojmova.

Materijali

Glavni građevinski materijal čeličnih konstrukcija su valjani profili od čelika građevinskog kvaliteta S235, S275, S355, S420, S450. Ovisno o standardu, postoji nekoliko različitih tipova konstrukcijskog čelika, gdje broj u klasifikaciji obično označava vlačnu čvrstoću čelika. Postoji nekoliko slovnih simbola, gdje u ovom slučaju S označava konstrukcijski čelik. Najčešći oblici koji se koriste su S, B (čelici za beton, armatura) i Y (čelik za prednaprezanje).

Čelični valjani nosači

Postoji širok spektar čeličnih profilisanih nosača i svaki ima svoju svrhu, prednosti i nedostatke.

  • U-profili
  • I-profili sa uskim nogama (IPE, IPN)
  • I-profili sa širokim nogama (HEA, HEB, HEM, HD)
  • Šuplji profili/kutije (okrugli, kvadratni, pravougaoni)
  • Listovi
  • Hladno oblikovani proizvodi (dobijaju se hladnim valjanjem ravne trake i uvijanjem ravne trake)

Svaki od ovih profila se razlikuje po obliku, dimenzijama, namjeni itd. Na primjer, postoji preko 20 različitih IPN profila, koji se razlikuju po dimenzijama; veći profili mogu bolje izdržati izvijanje (savijanje i bočno-torzioni), progib, itd.

Postoje četiri klase čelika u zavisnosti od toga da li dostižu granicu popuštanja pri povećanju naprezanja, da li je analiza plastična ili elastična, kolika je nosivost poprečnog preseka itd. gde je prva klasa najbolja, a četvrta najlošija. Više o strukturi i čvrstoći čelika možete pročitati ovdje.

Izjednačavanje napona i nosivost pri stalnom opterećenju

Nosivost. Dimenzije čeličnih konstrukcija su određene tako da su isključene značajne trajne deformacije. Nosivost se, s druge strane, u mnogim slučajevima ni na koji način ne iscrpljuje kada najveće uporedno naprezanje dostigne granicu tečenja – tada deformacije rastu mnogo brže od napona. Za konstrukcijski čelik, ista zavisnost kao i kod popuštanja može se uzeti kao granica Hookeovog zakona za opšta stanja naprezanja. U slučaju homogenih stanja naprezanja, koja su jednaka na svakom mjestu, ne dolazi do promjena kada se prekorači granica proporcionalnosti, osim što ukupne deformacije rastu brže od napona.

Izjednačavanje naprezanja pri savijanju. U slučaju savijanja grede, primjenjuje se pravolinijska raspodjela napona prema Navier hipotezi, sve dok rubno naprezanje σ=M/W ne prijeđe granicu proporcionalnosti. Uzdužna proširenja ε = ε(σ). To vrijedi barem za male krivine. Naponi koji su veći od proporcionalnog naprezanja mogu rasti samo sporije od proširenja ε. Na sl. 1 prikazuje raspodjelu napona savijanja za dati radni dijagram i za različite vrijednosti proširenja ruba. Područje proporcionalnosti (označeno krugom na svim naponskim vodovima) stoga postaje sve manje i manje s povećanjem ivica ivica. Napon ruba je prvo ograničen sa σF. Tek nakon vrlo značajnih deformacija maksimalno naprezanje raste iznad σF, ​​tako da postaje vidljiv utjecaj armature od čeličnog konstrukcijskog čelika (slučaj 5).

Distribucija naprezanja pri savijanju pri različitim proširenjima ivica

Sl. 1 - Izjednačavanje napona savijanja

Izjednačavanje vrhova naprezanja. Raspodjela uzdužnih naprezanja po presjeku kroz sredinu rupe u jednoj zategnutoj izbušenoj šipki približno odgovara liniji2na sl.2. Vrh napona σmax ovisi o d/b omjeru. Uglavnom je oko σmax =2-3σm, gdje σm = S/FM  označava prosječnu vrijednost vlačnog naprezanja u presjeku oslabljenom rupom na FM. Sl.2važi sve dok naponsko stanje ne pređe P-granicu. Pri većim opterećenjima, da bi se postigla određena dilatacija, potrebni su naponi manji od pravolinijskog zakona samo u blizini rupe. U točkama s najvećim opterećenjem, naponi se tada više neće povećavati proporcionalno sa S, već sporije. Na granici će se dobiti na cijeloj dionici2-2približno ravnomjerna raspodjela uzdužnih naprezanja σm = σf. Posmična i poprečna naprezanja su zanemarena. Pojave izjednačavanja naprezanja pri sporom porastu sile S u štapu dokazuju da je opravdana uobičajena metoda za čelične konstrukcije pod dejstvom statičkog opterećenja, da se pri dimenzioniranju zanemare vrhovi naprezanja i da se samo prosječno naprezanje σm=S/Fm u oslabljenom presjeku Fm uporedi sa dopuštenom vrijednošću.

Raspodjela naprezanja oko rupe u zategnutoj čeličnoj šipki

Sl.2

Postupak dimenzioniranja prema nosivosti

Kako raste opterećenje, dolazi do izjednačavanja napona u sekciji. Pritom se naprezanja pregrupiraju od najnapregnutijih dijelova presjeka na manje napregnute. Sve dok deformacije nisu toliko velike da se moraju uzeti u obzir pri postavljanju uslova ravnoteže, ovaj proces ne može ništa promijeniti na veličinu uticaja S, M itd. kod statički određenih struktura.

Neprekidni i okvirni oslonci: pod pretpostavkom Hookeovog zakona, dobija se za jedan kontinuirani nosač konstantnog presjeka (sl.3) trenutna linija prikazana pod a. Naponi savijanja su proporcionalni momentima savijanja M. Ako se oba opterećenja podjednako povećaju, najprije će se prekoračiti P-granična vrijednost na srednjem osloncu B. Granica nosivosti se postiže kada se dostigne i granični moment MDF-a u polju. U slučaju grede stegnute sa obe strane konstantnog simetričnog preseka sa koncentrisanom silom (sl.4) izjednačavanje momenta postoji od početka. Kada je P-granica prekoračena, nema promjene u raspodjeli momenta. Naprotiv, u slučaju jednako raspoređenog opterećenja (sl.5) izjednačavanje momenata dovodi do smanjenja momenta štipanja sa -2/3 Motprilike na -1/2 Mo.

Dijagram grede stegnute s obje strane koncentriranom silom

Sl.4

Momentne linije prije i poslije preraspodjele trenutka

Sl. 3 i slično. 5, odnosno: momenti savijanja: a) prije, b) granično stanje nakon pregrupisanja sile; a) prije, b) nakon izjednačavanja momenta

Rešetkaste konstrukcije: kod interno statički neodređenih rešetki postoje slične zavisnosti kao kod konstrukcija okvira. Sekundarna naprezanja, koja se odnose na čvorove koji su kruti na savijanje, mogu se u prvoj aproksimaciji zanemariti pri ocjeni nosivosti. Plastificirani profili djeluju slično kao i spojevi, tako da je statičko djelovanje nosača pod krajnjim opterećenjem koje još uvijek može podnijeti bliže djelovanju idealne rešetke sa spojevima u čvorovima. U slučaju konstrukcija s često ponavljanim opterećenjima, kod kojih treba uzeti u obzir fenomene zamorne čvrstoće, stoga postoje značajne sumnje protiv uzimanja u obzir izjednačavanja sila prilikom dimenzioniranja. Naprotiv, od praktične je važnosti zaključiti o utjecaju pomaka oslonaca. Budući da radna čvrstoća pojedinih konstrukcijskih elemenata ovisi samo o granicama naprezanja, a ne o veličini ukupnih deformacija, pomaci oslonaca nemaju utjecaja na nosivost.

Izmjenično opterećenje: pretpostavka o konstantnom opterećenju rijetko se ostvaruje. Kod nosača mosta postoje varijabilna stanja opterećenja. Pretpostavke o raspodjeli sila i naprezanja u pojedinim konstrukcijskim elementima, koje pojednostavljuju, uobičajene su u praktičnom radu sa čeličnim konstrukcijama, prema prethodnoj, opravdane su u uobičajenim okolnostima. Ovo posebno vrijedi za zanemarivanje lokalnih naponskih vrhova. Ne može se preporučiti primjena metode dimenzioniranja prema nosivosti pod (dinamičkim) opterećenjem od zamora. Stoga je postupak dimenzioniranja prema nosivosti ograničen na slučaj pretežno statičkih opterećenja, posebno na konstrukcije u građevinarstvu. U drugim slučajevima, u kojima treba obratiti pažnju na pojavu zamora, bitne deformacije će se morati isključiti i za osnovu uzeti teoriju elastičnosti. Pri tome treba težiti dovoljno velikoj udaljenosti od granice popuštanja. Čvrstoća konstrukcijskog čelika tada pruža dodatnu sigurnost.

Naizmjenični stres

Hladno istezanje i starenje: Na sl. 6 primijenjena je linija naprezanja-dilatacije okrugle šipke koja je bila izložena naizmjeničnim vlačnim i tlačnim naprezanjima. Pojedinačni procesi opterećenja su označeni brojevima prema njihovom redoslijedu. Elastične dilatacije koje se vraćaju nakon rasterećenja također se javljaju nakon velikih rastezanja proporcionalno naponima. Prilikom promjene znaka napona, P-granica gotovo potpuno nestaje. Stoga se elastična svojstva konstrukcijskog čelika vučenog u hladnom stanju ne slažu s izvornim vrijednostima. U zavisnosti od prethodne obrade, mogu se pokazati prilično značajne razlike.

Linija naprezanja–dilatacije pod naizmjeničnim opterećenjem čelične šipke

Sl. 6

Zajedno sa tim dolazi i više znakova starenja. Ovaj pojam uključuje sve promjene svojstava koje se dešavaju tokom vremena bez vanjskog utjecaja. Starenje rastezanja može se uočiti nakon trajne deformacije hladnim istezanjem. Ako se trajno rastegnuti ispitni uzorci ostave neko vrijeme bez opterećenja na sobnoj temperaturi, vlačna čvrstoća i, u manjoj mjeri, čvrstoća na kidanje rastu iznad prvobitne vrijednosti, dok se istezanje pri lomljenju smanjuje (Sl. 7). Proces starenja traje danima, ali se smanjuje na nekoliko sati ili samo minuta, ako se konstrukcijski čelik zagrije na oko 300 oC. Takođe treba napomenuti da se istezanje starenje javlja istovremeno sa istezanjem, ako se to dešava na temp. 200 – 400 oC, tj. u području plavog sjaja.

Poređenje dilatacije ponovo napunjenog i hladno rastegnutog štapa

Sl. 7 - a) ekspanzioni vod dvostruko opterećene šipke; b) linija dilatacije štapa rastegnutog u hladnom stanju

Naknadno djelovanje i histereza: U potpuno elastičnom materijalu postoji nedvosmislena međusobna ovisnost između naponskog i deformacijskog stanja, tako da određeni naponi uvijek odgovaraju istim deformacijama i obrnuto. Sa datim zakonom elastičnosti, deformacije ne ovise o vremenu koje je proteklo od primjene opterećenja, a ni o načinu na koji je opterećenje primijenjeno. Odstupanja od čisto elastičnog ponašanja mogu se opisati u dva stupnja aproksimacije: u elastičnom području postoje mala odstupanja; mogu se zanemariti u prvoj aproksimaciji. Mogu se odrediti preciznim mjerenjima, posebno kada se porede naprezanje bliže granici elastičnosti. Naime, dilatacija nije samo funkcija napona, već je kod zatvorenog ciklusa opterećenja i istog napona uvijek nešto manja pri rasterećenju nego pri opterećenju. Odstupanje od potpune elastičnosti, tj. razlika između odgovarajućih ekspanzija pri istim naponima naziva se elastična histereza. Ako se ciklus opterećenja češće ponavlja, to se postiže pri ne previsokim naponima - zatvorena petlja histereze ili prigušenja. Sl. 8 prikazuje prigušne petlje za različite vrijednosti AC opterećenja. Širina petlji se snažno povećava s visinom napona. Površina petlje je proporcionalna radu deformacije, koji se gubi u svakom ciklusu i pretvara u toplinu. Takođe, deformacije su promenljive ne samo sa visinom napona već i sa vremenom, zavise od brzine i načina opterećenja. Deo deformacije, koji zavisi od vremena, naziva se naknadni efekat. Histereza i naknadni efekat se javljaju istovremeno. U pravilu nemaju praktičnu važnost za one tipove građevinskog čelika koji se javljaju u čeličnim konstrukcijama na sobnoj temperaturi.

Histerezne petlje na različitim nivoima naizmjeničnog opterećenja

Sl. 8

Napomena o primjeni: Istorijske oznake materijala, pretpostavke, dijagrami i postupci u tekstu ne smiju se koristiti kao zamjena za važeće standarde, specifične karakteristike proizvoda, proračunski model i stručnu provjeru cjelokupne konstrukcije.