Grundlæggende om stålkonstruktioner

Vigtig faglig bemærkning: Dette er en arkiveringsundervisningstekst, ikke en aktuel designspecifikation, statisk beregning, bevis for bæreevne eller fremstillings- og monteringsvejledning. Designet af stålkonstruktioner skal omfatte faktiske handlinger, forbindelser, stabilitet, udmattelse, brand, korrosion og alle andre relevante forhold i henhold til gældende forskrifter og standarder, med ansvar af den autoriserede konstruktør.

Design og konstruktion af stålkonstruktioner er ikke en del af det nuværende offentlige tilbud fra Savo Kusić. Dagens produktionsfokus består af trævinduer, træ-aluminiumsvinduer og tilpassede døre.

Stålkonstruktioner har det til fælles, at de for det meste består af varmvalset stål. Sammenføjning sker ved hjælp af nitter, skruer eller svejsning. Dette omfatter stålkonstruktioner til broer, bygninger, industri og minedrift, vandbygning, søjler, tårne, tanke, i bredere forstand og til kraner, skibsbygning, kedler osv. Fokus i de følgende oplæg er behandlingen af ​​grundlæggende begreber.

Materialer

Stålkonstruktionernes hovedkonstruktionsmateriale er valsede profiler af byggekvalitetsstål S235, S275, S355, S420, S450. Alt efter standard findes der flere forskellige typer konstruktionsstål, hvor tallet i klassificeringen normalt angiver stålets trækstyrke. Der er flere bogstavsymboler, hvor S’et i dette tilfælde står for konstruktionsstål. De mest almindelige anvendte former er S, B (betonstål, armering) og Y (forspændingsstål).

Stålvalsede understøtninger

Der findes et bredt udvalg af stålprofilerede understøtninger, og hver har sit eget formål, fordele og ulemper.

• U-profiler
• I-profiler med smalle ben (IPE, IPN)
• I-profiler med brede ben (HEA, HEB, HEM, HD)
• Hule profiler/kasser (runde, firkantede, rektangulære)
• Ark
• Koldformede produkter (opnået ved koldvalsning af en flad strimmel og vridning af en flad strimmel)

Hver af disse profiler adskiller sig i form, dimensioner, formål osv. For eksempel er der over 20 forskellige IPN-profiler, som adskiller sig i dimensioner; større profiler kan bedre modstå bøjning (bøje- og sidevridning), nedbøjninger mv.

Der er fire klasser af stål alt efter om de når flydegrænsen når spændingen øges, om analysen er plastisk eller elastisk, hvad er tværsnittets belastningsevne osv. hvor den første klasse er den bedste og den fjerde er den dårligste. Mere om stålets struktur og styrke kan læses her.

Spændingsudligning og bæreevne ved konstant belastning

Bæreevne. Stålkonstruktionernes dimensioner bestemmes således, at væsentlige permanente deformationer udelukkes. Bæreevnen er dog i mange tilfælde ikke opbrugt på nogen måde, når den højeste komparative spænding når flydegrænsen - så vokser deformationerne meget hurtigere end spændingerne. For konstruktionsstål kan den samme afhængighed som ved eftergivelse tages som grænse for Hookes lov for generelle spændingsforhold. I tilfælde af homogene spændingstilstande, som er ens på hvert sted, sker der ingen ændringer, når proportionalitetsgrænsen overskrides, bortset fra at de samlede deformationer vokser hurtigere end spændingen.

Udligning af spænding under bøjning. Ved bøjning af en bjælke gælder den retlinede spændingsfordeling ifølge Navier-hypotesen, indtil kantspændingen σ=M/W ikke overstiger proportionalitetsgrænsen. Længdeudvidelser ε = ε(σ). Dette gælder i hvert fald for små bøjninger. Spændinger, der er højere end proportionalitetsspændingen, kan kun vokse langsommere end udvidelserne ε. I fig. 1 viser bøjningsspændingsfordelingen for det givne driftsdiagram og for forskellige værdier af kantudvidelse. Proportionalitetsområdet (markeret med en cirkel på alle spændingslinjer) bliver derfor mindre og mindre med stigende kantudvidelse. Kantspændingen begrænses først af σF. Først efter meget betydelige deformationer stiger den maksimale spænding over σF, så påvirkningen af stålkonstruktionsarmeringen bliver synlig (tilfælde 5).

Fig. 1 - Bøjningsspændingsudligning

Udligning af spændingstoppe. Fordelingen af ​​langsgående spændinger på tværs af sektionen gennem midten af ​​hullet i en enkelt spændt boret stang svarer omtrent til linjen2i fig.2. Spændingsspidsen σmax afhænger af d/b-forholdet. Det er for det meste omkring σmax =2-3σm, hvor σm = S/FM  angiver gennemsnitsværdien af ​​trækspændingen i sektionen, der er svækket af hullet ved FM. Sl.2gyldig indtil spændingstilstanden overstiger P-grænsen. Ved højere belastninger, for at opnå en vis udvidelse, behøves lavere spændinger kun i nærheden af ​​hullet end ifølge den retlinede lov. På de mest belastede punkter vil spændingerne så ikke længere stige proportionalt med S, men derimod langsommere. Ved grænsen vil den fås over hele sektionen2-2en tilnærmelsesvis ensartet fordeling af langsgående spændinger σm = σf. Forskydnings- og tværspændinger blev negligeret. Forekomsterne af spændingsudligning under den langsomme forøgelse af kraften S i stangen beviser, at den sædvanlige metode for stålkonstruktioner under påvirkning af en statisk belastning er berettiget, at ignorere spændingstoppene under dimensionering og kun at sammenligne den gennemsnitlige spænding σm=S/Fm i det svækkede afsnit Fm med den tilladte værdi.

Sl.2

Dimensioneringsprocedure i henhold til belastningskapacitet

Når belastningen stiger, sker der spændingsudligning i sektionen. Herved omgrupperes spændingerne fra de mest belastede dele af strækningen til de mindre belastede. Så længe deformationerne ikke er så store, at de skal tages i betragtning ved fastsættelse af ligevægtsbetingelserne, kan denne proces ikke ændre noget på størrelsen af ​​påvirkningen af ​​S, M osv. med statisk bestemte strukturer.

Kontinuerlige og rammeunderstøtninger: under antagelsen af ​​Hookes lov opnås det for en kontinuerlig understøtning af konstant sektion (fig.3) momentlinje vist under a. Bøjningsspændingerne er proportionale med bøjningsmomenterne M. Hvis begge belastninger stiger lige meget, vil P-grænsen først blive overskredet ved midterstøtten B. Lejegrænsen nås, når grænsemomentet MDF nås også i marken. I tilfælde af en bjælke fastspændt på begge sider af en konstant symmetrisk sektion med en koncentreret kraft (fig.4) momentudligning eksisterer fra begyndelsen. Når P-grænsen overskrides, er der ingen ændring i momentfordelingen. Tværtimod, i tilfælde af en ligeligt fordelt belastning (fig.5) udligningen af ​​momenterne fører til en reduktion af klemmomentet med -2/3 Mom på -1/2 Mo.

Sl.4

Sl.3osv.5henholdsvis: bøjningsmomenter: a) før, b) grænsetilstand efter kraftomgruppering; a) før, b) efter udligning af momentum

Gitterkonstruktioner: med indvendigt statisk ubestemmelige spær er der lignende afhængigheder som ved rammekonstruktioner. De sekundære spændinger, som er relateret til knuderne, der er stive i bøjning, kan negligeres i den første tilnærmelse ved vurdering af belastningskapaciteten. Plastificerede sektioner virker på samme måde som samlinger, således at den statiske virkning af drageren under den maksimale belastning, den stadig kan bære, er tættere på den for et ideelt spærværk med samlinger i knuderne. Ved konstruktioner med hyppigt gentagne belastninger, hvor der skal tages højde for udmattelsesstyrkefænomener, er der derfor betydelig tvivl mod at tage hensyn til kraftudligning ved dimensionering. Tværtimod er det af praktisk betydning at konkludere om indflydelsen af ​​forskydningen af ​​støtter. Da de enkelte konstruktionselementers arbejdsstyrke kun afhænger af spændingsgrænserne og ikke af størrelsen af ​​de samlede deformationer, har forskydningerne af understøtningerne ingen indflydelse på bæreevnen.

Vekselende belastning: Antagelsen om et tilfælde med konstant belastning realiseres sjældent. Med brodragere er der variable belastningstilstande. Antagelser om kræfter og spændingsfordeling i enkelte konstruktionselementer, som forenkler, er almindelige i praktisk arbejde med stålkonstruktioner, ifølge den foregående er de begrundede under almindelige omstændigheder. Dette gælder især for at negligere lokale spændingsspidser. Det kan ikke anbefales at anvende metoden til dimensionering efter belastningsevne under (dynamisk) udmattelsesbelastning. Dimensioneringsproceduren efter belastningsevne er således begrænset til overvejende statiske belastninger, især til konstruktioner i byggebranchen. I andre tilfælde, hvor der skal lægges vægt på udseendet af træthed, skal væsentlige deformationer udelukkes og elasticitetsteorien tages som grundlag. Derved bør man tilstræbe en tilstrækkelig stor afstand fra vigegrænsen. Konstruktionsstålets sejhed giver så en vis ekstra sikkerhed.

Vekselspænding

Kold strækning og aldring: I fig. 6 spændingsudvidelseslinjen på en rund stang, som var udsat for skiftende træk- og trykspændinger, blev påført. Individuelle belastningsprocesser er markeret med numre i henhold til deres rækkefølge. Elastiske udvidelser, der vender tilbage ved aflæsning, opstår også efter store strækninger i forhold til spændingerne. Ved ændring af spændingstegnet forsvinder P-grænsen næsten helt. Derfor stemmer de elastiske egenskaber af byggestål trukket i kold tilstand ikke overens med de oprindelige værdier. Afhængigt af den tidligere behandling kan der vises ret betydelige forskelle.

Fig. 6

Sammen med det kommer flere tegn på aldring. Dette udtryk omfatter alle ændringer i egenskaber, der sker over tid uden ydre påvirkning. Strækældning kan observeres efter permanent deformation ved kold strækning. Hvis permanent strakte prøveemner efterlades i nogen tid uden belastning ved stuetemperatur, stiger trækstyrken og i mindre grad rivestyrken over den oprindelige værdi, mens brudforlængelsen aftager (fig. 7). Ældningsprocessen varer i dagevis, men reduceres til et par timer eller kun minutter, hvis konstruktionsstålet opvarmes til omkring 300 oC. Det skal også nævnes, at strækældning sker samtidig med stræk, hvis dette sker ved temp. 200 – 400 oC, dvs. i området med blåt lys.

Fig. 7 - a) ekspansionslinje for en dobbeltbelastet stang; b) udvidelseslinje for en stang strakt i kold tilstand

Eftervirkning og hysterese: I et helt elastisk materiale er der en entydig gensidig afhængighed mellem spænding og deformationstilstand, således at visse spændinger altid svarer til de samme deformationer og omvendt. Med en given elasticitetslov afhænger deformationerne ikke af den forløbne tid, siden belastningen blev påført, og heller ikke af den måde, belastningen påføres på. Afvigelser fra ren elastisk adfærd kan beskrives i to grader af tilnærmelse: i det elastiske område er der små afvigelser; de kan ignoreres i den første tilnærmelse. De kan bestemmes ved nøjagtige målinger, især når man sammenligner spændingen tættere på elasticitetsgrænsen. Dilatation er nemlig ikke kun en funktion af spænding, men med en lukket belastningscyklus og samme spænding er den altid lidt mindre under aflæsning end under læsning. Afvigelse fra fuldstændig elasticitet, dvs. forskellen mellem tilsvarende udvidelser ved samme spændinger kaldes elastisk hysterese. Hvis belastningscyklussen gentages oftere, opnås dette ved ikke for høje spændinger - en lukket sløjfe af hysterese eller dæmpning. Sl. 8 viser dæmpningssløjferne for forskellige AC-belastningsværdier. Bredden af ​​løkkerne øges kraftigt med spændingens højde. Sløjfens areal er proportional med deformationsarbejdet, som går tabt ved hver cyklus og omdannes til varme. Deformationerne er også variable ikke kun med højden af ​​spændingen, men også med tiden, de afhænger af hastigheden og belastningsmetoden. Den del af deformationen, som afhænger af tid, kaldes eftervirkningen. Hysterese og eftervirkning forekommer samtidigt. Som regel har de ingen praktisk betydning for de typer konstruktionsstål, der forekommer i stålkonstruktioner ved stuetemperatur.

Sl. 8

Anvendelsesnote: Historiske materialebetegnelser, antagelser, diagrammer og procedurer i teksten bør ikke bruges som erstatning for gældende standarder, specifikke produktkarakteristika, beregningsmodel og ekspertverifikation af den samlede konstruktion.