Důležitá odborná poznámka: Jedná se o archivní výukový text, ne o aktuální specifikaci návrhu, statický výpočet, doklad o nosnosti nebo výrobní a montážní návod. Návrh ocelových konstrukcí musí obsahovat skutečné zatížení, spoje, stabilitu, únavu, požár, korozi a všechny další relevantní podmínky dle platných předpisů a norem, za které zodpovídá autorizovaný projektant.
Návrh a výstavba ocelových konstrukcí není součástí aktuální veřejné nabídky Savo Kusić. Dnešní výrobní zaměření se skládá z dřevěných oken, dřevěno-hliníkových oken a zakázkových dveří.
Ocelové konstrukce mají společný rys v tom, že jsou většinou vyrobeny z oceli válcované za tepla. Spojování se provádí pomocí nýtů, šroubů nebo svařováním. Patří sem ocelové konstrukce pro mosty, budovy, průmysl a hornictví, vodní stavby, pilíře, věže, nádrže, v širším slova smyslu i pro jeřáby, stavbu lodí, kotle atd. Těžištěm následujících prezentací je zpracování základních pojmů.
Materiály
Hlavním konstrukčním materiálem ocelových konstrukcí jsou válcované profily ze stavební jakosti oceli S235, S275, S355, S420, S450. V závislosti na normě existuje několik různých typů konstrukční oceli, kde číslo v klasifikaci obvykle udává pevnost oceli v tahu. Existuje několik symbolů písmen, kde v tomto případě S znamená konstrukční ocel. Nejčastěji se používají formy S, B (betonové oceli, výztuže) a Y (předpínací ocel).
Ocelové válcované podpěry
Existuje široká škála ocelových profilovaných podpěr a každá má svůj vlastní účel, výhody a nevýhody.
- U-profily
- I-profily s úzkými nohami (IPE, IPN)
- I-profily se širokými nohami (HEA, HEB, HEM, HD)
- Duté profily/krabice (kulaté, čtvercové, obdélníkové)
- Listy
- Výrobky tvarované za studena (získané válcováním plochého pásu za studena a kroucením plochého pásu)
Každý z těchto profilů se liší tvarem, rozměry, účelem atd. Například existuje více než 20 různých profilů IPN, které se liší rozměry; Větší profily lépe odolávají vybočení (ohybu a bočnímu zkrutu), průhybům atd.
Existují čtyři třídy ocelí podle toho, zda při zvýšeném napětí dosahují meze kluzu, zda je rozbor plastický nebo elastický, jaká je únosnost průřezu atd. kde první třída je nejlepší a čtvrtá nejhorší. Více o struktuře a pevnosti oceli si můžete přečíst zde.
Vyrovnání napětí a únosnost při stálém zatížení
Únosnost. Rozměry ocelových konstrukcí jsou určeny tak, aby byly vyloučeny významné trvalé deformace. The bearing capacity, however, in many cases is not exhausted in any way when the highest comparative stress reaches the yield point - then the deformations grow much faster than the stresses. Pro konstrukční ocel lze stejnou závislost jako při průtažnosti brát jako mez Hookova zákona pro obecné podmínky napětí. In the case of homogeneous stress states, which are equal at every place, no changes occur when the limit of proportionality is exceeded, except that the total deformations grow faster than the stress.
Equalization of stress during bending. In the case of bending of a beam, the rectilinear stress distribution according to the Navier hypothesis applies, until the edge stress σ=M/W does not exceed the limit of proportionality. Podélná rozšíření ε = ε(σ). To platí alespoň pro malé zatáčky. Napětí, která jsou vyšší než napětí úměrnosti, mohou růst pouze pomaleji než expanze ε. Na Obr. 1 ukazuje rozložení ohybového napětí pro daný provozní diagram a pro různé hodnoty roztažení hran. The area of proportionality (marked with a circle on all voltage lines) therefore becomes smaller and smaller with increasing edge dilatation. Hranové napětí je nejprve omezeno σF. Only after very significant deformations does the maximum stress rise above σF, so that the influence of the structural steel reinforcement becomes visible (case 5).
Obr. 1 - Vyrovnání napětí v ohybu
Vyrovnání špiček napětí. Rozložení podélných napětí v řezu středem otvoru v jedné napínané vrtané tyči přibližně odpovídá čáře 2 na obr. 2. Napěťová špička σmax závisí na poměru d/b. Většinou se pohybuje kolem σmax = 2-3 σm, kde σm = S/FM značí průměrnou hodnotu tahového napětí v řezu oslabeném otvorem na FM. Sl. 2 je platné, dokud stav napětí nepřekročí P-limit. Při vyšším zatížení je pro dosažení určité dilatace potřeba nižší napětí pouze v blízkosti otvoru než podle přímkového zákona. V nejvíce namáhaných bodech se pak napětí již nebudou zvyšovat úměrně s S, ale spíše pomaleji. Na rozhraní bude získáno přibližně rovnoměrné rozložení podélných napětí σm = σf po celém průřezu 2-2. Smyková a příčná napětí byla zanedbána. Výskyty vyrovnání napětí při pomalém nárůstu síly S v tyči dokazují, že obvyklá metoda pro ocelové konstrukce při působení statického zatížení je oprávněná, ignorovat špičky napětí při dimenzování a porovnávat pouze průměrné napětí σm=S/Fm v oslabeném řezu Fm s přípustnou hodnotou.
Obr. 2
Postup dimenzování podle nosnosti
S nárůstem zátěže dochází k vyrovnání napětí v sekci. Přitom se napětí přeskupí z nejvíce namáhaných částí průřezu do méně namáhaných. Dokud nejsou deformace tak velké, aby se s nimi muselo počítat při nastavování podmínek rovnováhy, nemůže tento proces u staticky určených konstrukcí nic změnit na velikosti vlivu S, M atd.
Spojité a rámové podpory: za předpokladu Hookova zákona je momentová čára zobrazená pod a získána pro jednu spojitou podporu konstantního průřezu (obr. 3). Ohybová napětí jsou úměrná ohybovým momentům M. Pokud obě zatížení narostou rovnoměrně, dojde nejprve k překročení P-mezi na střední podpoře B. Meze únosnosti je dosaženo při dosažení mezní moment MDF i v poli. V případě nosníku upnutého na obou stranách konstantního symetrického řezu soustředěnou silou (obr. 4) existuje vyrovnání momentů od začátku. Při překročení P-mezi nedochází ke změně rozložení momentu. Naopak v případě rovnoměrně rozloženého zatížení (obr. 5) vede vyrovnání momentů ke snížení svíracího momentu z -2/3 Mo na -1/2 Mo.⟧SKPH10
Obr. 4
Obr. 3 a podobně. 5, respektive: ohybové momenty: a) před, b) mezní stav po přeskupení sil; a) před, b) po momentovém vyrovnání
Příhradové konstrukce: u vnitřně staticky neurčitých vazníků jsou podobné závislosti jako u rámových konstrukcí. Sekundární napětí, která se vztahují k uzlům tuhým v ohybu, lze v první aproximaci při hodnocení únosnosti zanedbat. Plastifikované profily se chovají podobně jako spoje, takže statické působení nosníku při mezním zatížení, které ještě unese, se blíží účinku ideálního vazníku se spoji v uzlech. U konstrukcí s často opakovaným zatížením, u kterých je třeba zohlednit jevy únavové pevnosti, jsou tedy značné pochybnosti proti zohlednění vyrovnání sil při dimenzování. Naopak je praktické vyvodit závěr o vlivu posunu podpor. Vzhledem k tomu, že pracovní pevnost jednotlivých konstrukčních prvků závisí pouze na mezích napětí, nikoli na velikosti celkových deformací, nemají posuvy podpor vliv na únosnost.
Střídavé zatížení: předpoklad konstantního zatěžovacího stavu se realizuje jen zřídka. U mostních nosníků dochází k proměnným stavům zatížení. Předpoklady o silách a rozložení napětí v jednotlivých konstrukčních prvcích, které zjednodušují, jsou běžné při praktické práci s ocelovými konstrukcemi, podle předchozího jsou za běžných okolností opodstatněné. To platí zejména pro zanedbání místních napěťových špiček. Nelze doporučit aplikovat metodu dimenzování podle únosnosti při (dynamickém) únavovém zatížení. Postup dimenzování podle únosnosti je tak omezen na případ převážně statického zatížení, zejména na stavby ve stavebnictví. V ostatních případech, kdy je třeba věnovat pozornost vzniku únavy, bude nutné vyloučit významné deformace a za základ vzít teorii pružnosti. Přitom je třeba usilovat o dostatečně velkou vzdálenost od meze kluzu. Houževnatost konstrukční oceli pak poskytuje určitou dodatečnou bezpečnost.
Střídavé napětí
Protahování za studena a stárnutí: Na obr. 6 byla aplikována čára dilatace napětí kruhové tyče, která byla vystavena střídavému tahu a tlaku. Jednotlivé procesy zatížení jsou označeny čísly podle jejich pořadí. K elastickým dilatacím, které se vracejí při odlehčení, dochází také po velkých roztaženích v poměru k napětí. Při změně znaménka napětí P-mez téměř úplně zmizí. Proto elastické vlastnosti konstrukční oceli tažené za studena nesouhlasí s původními hodnotami. V závislosti na předchozím zpracování mohou být zobrazeny poměrně významné rozdíly.
Obr. 6
Spolu s tím přichází další známky stárnutí. Tento pojem zahrnuje všechny změny vlastností, ke kterým dochází v průběhu času bez vnějšího vlivu. Stárnutí natažením lze pozorovat po trvalé deformaci protahováním za studena. Pokud jsou trvale napnutá zkušební tělesa ponechána nějakou dobu bez zatížení při pokojové teplotě, pevnost v tahu a v menší míře i pevnost v roztržení stoupne nad původní hodnotu, zatímco prodloužení při přetržení se sníží (obr. 7). Proces stárnutí trvá několik dní, ale zkrátí se na několik hodin nebo jen minut, pokud se konstrukční ocel zahřeje na přibližně 300 oC. Je třeba také zmínit, že stárnutí při protahování nastává současně s protahováním, pokud k tomu dojde při teplotě. 200 – 400 oC, tj. v oblasti modré záře.
Obr. 7 - a) expanzní vedení dvojitě zatížené tyče; b) dilatační linie tyče natažené ve studeném stavu
Následné působení a hystereze: U zcela pružného materiálu existuje jednoznačná vzájemná závislost mezi napětím a deformačním stavem, takže určitá napětí odpovídají vždy stejným deformacím a naopak. Při daném zákonu pružnosti nejsou deformace závislé na době, která uplynula od působení zatížení, a také na způsobu, jakým je zatížení aplikováno. Odchylky od čistě elastického chování lze popsat ve dvou stupních aproximace: v elastické oblasti jsou malé odchylky; v první aproximaci je lze ignorovat. Lze je určit přesným měřením, zejména při porovnávání napětí blíže meze pružnosti. Totiž dilatace není pouze funkcí napětí, ale při uzavřeném zatěžovacím cyklu a stejném napětí je při odlehčení vždy o něco menší než při zatěžování. Odchylka od úplné elasticity, tzn. rozdíl mezi odpovídajícími expanzemi při stejných napětích se nazývá elastická hystereze. Pokud se zatěžovací cyklus opakuje častěji, dosáhne se toho při nepříliš vysokých napětích - uzavřená smyčka hystereze nebo tlumení. Sl. 8 ukazuje tlumicí smyčky pro různé hodnoty AC zátěže. Šířka smyček se silně zvětšuje s výškou napětí. Plocha smyčky je úměrná deformační práci, která se při každém cyklu ztrácí a přeměňuje na teplo. Také deformace jsou proměnné nejen s výškou napětí, ale i časem, závisí na rychlosti a způsobu zatěžování. Část deformace, která závisí na čase, se nazývá následný efekt. Hystereze a následný efekt se vyskytují současně. Zpravidla nemají praktický význam pro ty druhy konstrukční oceli, které se vyskytují v ocelových konstrukcích při pokojových teplotách.
Sl. 8
Poznámka k aplikaci: Historická označení materiálů, předpoklady, schémata a postupy v textu by neměly být používány jako náhrada za současné normy, specifické vlastnosti výrobku, výpočtový model a odborné ověření celkové konstrukce.