Σημαντική επαγγελματική σημείωση: Αυτό είναι ένα αρχειακό εκπαιδευτικό κείμενο, όχι μια τρέχουσα προδιαγραφή σχεδίασης, στατικός υπολογισμός, απόδειξη ικανότητας φόρτωσης ή οδηγίες κατασκευής και συναρμολόγησης. Ο σχεδιασμός των μεταλλικών κατασκευών πρέπει να περιλαμβάνει πραγματικές ενέργειες, συνδέσεις, σταθερότητα, κόπωση, φωτιά, διάβρωση και όλες τις άλλες σχετικές συνθήκες σύμφωνα με ισχύοντες κανονισμούς και πρότυπα, με ευθύνη του εξουσιοδοτημένου μελετητή.
Ο σχεδιασμός και η κατασκευή μεταλλικών κατασκευών δεν αποτελεί μέρος της τρέχουσας δημόσιας προσφοράς της Savo Kusić. Η σημερινή εστίαση στην παραγωγή αποτελείται από ξύλινα παράθυρα, παράθυρα από ξύλο-αλουμίνιο και προσαρμοσμένες πόρτες.
Οι χαλύβδινες κατασκευές έχουν ένα κοινό χαρακτηριστικό ότι κατασκευάζονται κυρίως από χάλυβα θερμής έλασης. Η ένωση γίνεται με πριτσίνια, βίδες ή συγκόλληση. Αυτό περιλαμβάνει μεταλλικές κατασκευές για γέφυρες, κτίρια, βιομηχανία και ορυχεία, υδραυλική μηχανική, υποστυλώματα, πύργους, δεξαμενές, με την ευρύτερη έννοια και για γερανούς, ναυπηγεία, λέβητες κ.λπ. Το επίκεντρο των παρακάτω παρουσιάσεων είναι η επεξεργασία βασικών εννοιών.
Υλικά
Το κύριο υλικό κατασκευής των μεταλλικών κατασκευών είναι προφίλ έλασης από ποιοτικό χάλυβα κατασκευής S235, S275, S355, S420, S450. Ανάλογα με το πρότυπο, υπάρχουν αρκετοί διαφορετικοί τύποι χάλυβα κατασκευής, όπου ο αριθμός στην ταξινόμηση συνήθως υποδεικνύει την αντοχή σε εφελκυσμό του χάλυβα. Υπάρχουν πολλά σύμβολα γραμμάτων, όπου στην περίπτωση αυτή το S σημαίνει δομικός χάλυβας. Οι πιο συνηθισμένες μορφές που χρησιμοποιούνται είναι οι S, B (χάλυβες σκυροδέματος, οπλισμός) και Y (χάλυβας προέντασης).
Ατσάλινα στηρίγματα έλασης
Υπάρχει μια μεγάλη γκάμα στηριγμάτων με προφίλ χάλυβα και το καθένα έχει το δικό του σκοπό, πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα.
- Προφίλ U
- I-προφίλ με στενά πόδια (IPE, IPN)
- Προφίλ I με φαρδιά πόδια (HEA, HEB, HEM, HD)
- Κοίλα προφίλ/κουτιά (στρογγυλά, τετράγωνα, ορθογώνια)
- Φύλλα
- Προϊόντα ψυχρής διαμόρφωσης (που λαμβάνονται με ψυχρή έλαση επίπεδης λωρίδας και στρίψιμο μιας επίπεδης λωρίδας)
Κάθε ένα από αυτά τα προφίλ διαφέρει ως προς το σχήμα, τις διαστάσεις, τον σκοπό κ.λπ. Για παράδειγμα, υπάρχουν πάνω από 20 διαφορετικά προφίλ IPN, τα οποία διαφέρουν ως προς τις διαστάσεις. Τα μεγαλύτερα προφίλ αντέχουν καλύτερα τον λυγισμό (καμπτικό και πλάγιο-στρεπτικό), τις παραμορφώσεις κ.λπ.
Υπάρχουν τέσσερις κατηγορίες χάλυβα ανάλογα με το αν φτάνουν στο σημείο διαρροής όταν αυξάνεται η τάση, αν η ανάλυση είναι πλαστική ή ελαστική, ποια είναι η ικανότητα φορτίου της διατομής κ.λπ. όπου η πρώτη κατηγορία είναι η καλύτερη και η τέταρτη η χειρότερη. Περισσότερα για τη δομή και την αντοχή του χάλυβα μπορείτε να διαβάσετε εδώ.
Εξισορρόπηση τάσης και ικανότητα μεταφοράς σε σταθερό φορτίο
Φέρουσα ικανότητα. Οι διαστάσεις των μεταλλικών κατασκευών προσδιορίζονται έτσι ώστε να αποκλείονται σημαντικές μόνιμες παραμορφώσεις. Η φέρουσα ικανότητα, ωστόσο, σε πολλές περιπτώσεις δεν εξαντλείται με κανέναν τρόπο όταν η υψηλότερη συγκριτική τάση φτάνει στο σημείο διαρροής - τότε οι παραμορφώσεις μεγαλώνουν πολύ πιο γρήγορα από τις τάσεις. Για τον δομικό χάλυβα, η ίδια εξάρτηση με την υποχώρηση μπορεί να ληφθεί ως το όριο του νόμου του Hooke για τις γενικές συνθήκες τάσης. Στην περίπτωση ομοιογενών καταστάσεων τάσης, οι οποίες είναι ίσες σε κάθε σημείο, δεν συμβαίνουν αλλαγές όταν ξεπεραστεί το όριο αναλογικότητας, εκτός από το ότι οι συνολικές παραμορφώσεις αναπτύσσονται ταχύτερα από την τάση.
Εξίσωση της τάσης κατά την κάμψη. Στην περίπτωση κάμψης μιας δοκού, ισχύει η ευθύγραμμη κατανομή τάσεων σύμφωνα με την υπόθεση Navier, έως ότου η τάση ακμής σ=M/W να μην υπερβεί το όριο της αναλογικότητας. Διαμήκεις διαστολές ε = ε(σ). Αυτό ισχύει τουλάχιστον για μικρές στροφές. Οι τάσεις που είναι υψηλότερες από την τάση αναλογικότητας μπορούν να αυξηθούν μόνο πιο αργά από τις διαστολές ε. Στο σχ. Το 1 δείχνει την κατανομή της τάσης κάμψης για το δεδομένο διάγραμμα λειτουργίας και για διάφορες τιμές διαστολής ακμών. Η περιοχή της αναλογικότητας (σημειωμένη με κύκλο σε όλες τις γραμμές τάσης) επομένως γίνεται όλο και μικρότερη με την αύξηση της διαστολής των άκρων. Η τάση ακμής περιορίζεται πρώτα από σF. Μόνο μετά από πολύ σημαντικές παραμορφώσεις η μέγιστη τάση ανεβαίνει πάνω από το σF, έτσι ώστε να γίνεται ορατή η επίδραση του δομικού χαλύβδινου οπλισμού (περίπτωση 5).
Εικ. 1 - Εξισορρόπηση τάσης κάμψης
Εξίσωση κορυφών τάσεων. Η κατανομή των διαμήκων τάσεων κατά μήκος του τμήματος μέσω του μέσου της οπής σε μία τεντωμένη διάτρητη ράβδο αντιστοιχεί περίπου στη γραμμή 2 στο σχ. 2. Η κορυφή της τάσης σmax εξαρτάται από τον λόγο d/b. Είναι κυρίως γύρω από σmax = 2-3 σm, όπου σm = S/FM υποδηλώνει τη μέση τιμή της τάσης εφελκυσμού στο τμήμα που εξασθενεί από την οπή στο FM. Sl. Το 2 ισχύει έως ότου η κατάσταση τάσης υπερβεί το όριο P. Σε μεγαλύτερα φορτία, για να επιτευχθεί μια ορισμένη διαστολή, χρειάζονται χαμηλότερες τάσεις μόνο κοντά στην οπή από ό,τι σύμφωνα με τον νόμο της ευθείας γραμμής. Στα πιο καταπονημένα σημεία, οι τάσεις δεν θα αυξάνονται πλέον αναλογικά με το S, αλλά μάλλον πιο αργά. Στο όριο, θα ληφθεί μια περίπου ομοιόμορφη κατανομή των διαμήκων τάσεων σm = σf σε ολόκληρο το τμήμα 2-2. Παραμελήθηκαν οι διατμητικές και εγκάρσιες τάσεις. Οι εμφανίσεις εξισορρόπησης τάσεων κατά τη βραδεία αύξηση της δύναμης S στη ράβδο αποδεικνύουν ότι δικαιολογείται η συνήθης μέθοδος για μεταλλικές κατασκευές υπό την επίδραση στατικού φορτίου, να αγνοούνται οι κορυφές τάσης κατά τη διαστασιολόγηση και να συγκρίνεται μόνο η μέση τάση σm=S/Fm στο εξασθενημένο τμήμα Fm με την επιτρεπόμενη τιμή.
Εικ. 2
Διαδικασία διαστασιολόγησης σύμφωνα με την ικανότητα φόρτωσης
Καθώς το φορτίο αυξάνεται, πραγματοποιείται εξίσωση τάσης στο τμήμα. Με αυτόν τον τρόπο, οι τάσεις ομαδοποιούνται από τα πιο καταπονημένα μέρη του τμήματος στα λιγότερο καταπονημένα. Εφόσον οι παραμορφώσεις δεν είναι τόσο μεγάλες ώστε να πρέπει να ληφθούν υπόψη κατά τον καθορισμό των συνθηκών ισορροπίας, αυτή η διαδικασία δεν μπορεί να αλλάξει τίποτα στο μέγεθος της επιρροής των S, M κ.λπ. με στατικά καθορισμένες δομές.
Συνεχείς στηρίξεις και στηρίγματα πλαισίου: με την παραδοχή του νόμου του Hooke, λαμβάνεται για μία συνεχή στήριξη σταθερής τομής (Εικ.3) γραμμή ροπής που εμφανίζεται κάτω από α. Οι τάσεις κάμψης είναι ανάλογες με τις ροπές κάμψης M. Εάν και τα δύο φορτία αυξηθούν εξίσου, το όριο P θα ξεπεραστεί πρώτα στο μεσαίο στήριγμα B. Το όριο έδρασης επιτυγχάνεται όταν επιτευχθεί η οριακή ροπή MDF και στο πεδίο. Στην περίπτωση μιας δοκού που συσφίγγεται και στις δύο πλευρές μιας σταθερής συμμετρικής τομής με συγκεντρωμένη δύναμη (εικ.4) η εξίσωση στιγμής υπάρχει από την αρχή. Όταν ξεπεραστεί το όριο P, δεν υπάρχει αλλαγή στην κατανομή ροπής. Αντίθετα, σε περίπτωση ισοκατανεμημένου φορτίου (Εικ.5) η εξίσωση των ροπών οδηγεί σε μείωση της ροπής τσιμπήματος με -2/3 Mπερίπου στις -1/2 Mο.
Sl.4
Sl.3και τα λοιπά.5, αντίστοιχα: ροπές κάμψης: α) πριν, β) οριακή κατάσταση μετά την ανασυγκρότηση της δύναμης. α) πριν, β) μετά την εξίσωση της ορμής
Κατασκευές πλέγματος: με εσωτερικά στατικά απροσδιόριστα ζευκτά, υπάρχουν παρόμοιες εξαρτήσεις με τις κατασκευές πλαισίων. Οι δευτερεύουσες τάσεις, οι οποίες σχετίζονται με τους κόμβους που είναι άκαμπτοι στην κάμψη, μπορούν να αγνοηθούν στην πρώτη προσέγγιση κατά την αξιολόγηση της ικανότητας φόρτωσης. Τα πλαστικοποιημένα τμήματα δρουν παρόμοια με τις αρθρώσεις, έτσι ώστε η στατική δράση της δοκού κάτω από το απόλυτο φορτίο που μπορεί ακόμα να φέρει είναι πιο κοντά σε αυτήν ενός ιδανικού δοκού με αρμούς στους κόμβους. Στην περίπτωση κατασκευών με συχνά επαναλαμβανόμενα φορτία, στις οποίες πρέπει να λαμβάνονται υπόψη τα φαινόμενα αντοχής σε κόπωση, υπάρχουν επομένως σημαντικές αμφιβολίες κατά της εξίσωσης των δυνάμεων κατά τη διαστασιολόγηση. Αντίθετα, έχει πρακτική σημασία να συμπεράνουμε σχετικά με την επίδραση της μετατόπισης των στηρίξεων. Δεδομένου ότι η αντοχή εργασίας μεμονωμένων δομικών στοιχείων εξαρτάται μόνο από τα όρια τάσεων και όχι από το μέγεθος των συνολικών παραμορφώσεων, οι μετατοπίσεις των στηριγμάτων δεν έχουν καμία επίδραση στη φέρουσα ικανότητα.
Εναλλασσόμενο φορτίο: η υπόθεση σταθερού φορτίου σπάνια πραγματοποιείται. Με τις δοκούς γέφυρας, υπάρχουν μεταβλητές καταστάσεις φορτίου. Οι υποθέσεις σχετικά με τις δυνάμεις και την κατανομή των τάσεων σε μεμονωμένα δομικά στοιχεία, που απλοποιούν, είναι κοινές στην πρακτική εργασία με μεταλλικές κατασκευές, σύμφωνα με την προηγούμενη, δικαιολογούνται υπό συνήθεις συνθήκες. Αυτό ισχύει ιδιαίτερα για την παραμέληση των τοπικών κορυφών τάσης. Δεν συνιστάται η εφαρμογή της μεθόδου διαστασιολόγησης σύμφωνα με την ικανότητα φόρτωσης υπό (δυναμική) φόρτιση λόγω κόπωσης. Έτσι, η διαδικασία διαστασιολόγησης σύμφωνα με την ικανότητα φόρτωσης περιορίζεται στην περίπτωση των κατά κύριο λόγο στατικών φορτίων, ειδικά σε κατασκευές στον κτιριακό κλάδο. Σε άλλες περιπτώσεις, στις οποίες θα πρέπει να δοθεί προσοχή στην εμφάνιση κόπωσης, θα πρέπει να αποκλειστούν σημαντικές παραμορφώσεις και να ληφθεί ως βάση η θεωρία της ελαστικότητας. Για να το κάνετε αυτό, θα πρέπει να προσπαθήσετε για μια αρκετά μεγάλη απόσταση από το σημείο διαρροής. Η σκληρότητα του χάλυβα κατασκευής παρέχει στη συνέχεια κάποια πρόσθετη ασφάλεια.
Εναλλασσόμενο στρες
Cold stretching and aging: Στην εικ. 6 εφαρμόστηκε η γραμμή τάσης-διαστολής μιας στρογγυλής ράβδου, η οποία ήταν εκτεθειμένη σε εναλλασσόμενες εφελκυστικές και θλιπτικές τάσεις. Οι επιμέρους διαδικασίες φόρτωσης επισημαίνονται με αριθμούς ανάλογα με τη σειρά τους. Ελαστικές διαστολές που επιστρέφουν κατά την εκφόρτωση συμβαίνουν επίσης μετά από μεγάλες διατάσεις ανάλογα με τις τάσεις. Κατά την αλλαγή του σήματος τάσης, το όριο P εξαφανίζεται σχεδόν εντελώς. Επομένως, οι ελαστικές ιδιότητες του χάλυβα κατασκευής που σύρεται σε ψυχρή κατάσταση δεν συμφωνούν με τις αρχικές τιμές. Ανάλογα με την προηγούμενη επεξεργασία, μπορούν να εμφανιστούν αρκετά σημαντικές διαφορές.
Εικ. 6
Μαζί με αυτό έρχονται περισσότερα σημάδια γήρανσης. Αυτός ο όρος περιλαμβάνει όλες τις αλλαγές στις ιδιότητες που συμβαίνουν με την πάροδο του χρόνου χωρίς εξωτερική επίδραση. Η γήρανση διάτασης μπορεί να παρατηρηθεί μετά από μόνιμη παραμόρφωση με ψυχρή διάταση. Εάν τα μόνιμα τεντωμένα δείγματα παραμείνουν για κάποιο χρονικό διάστημα χωρίς φορτίο σε θερμοκρασία δωματίου, η αντοχή σε εφελκυσμό και, σε μικρότερο βαθμό, η αντοχή σε σχίσιμο αυξάνεται πάνω από την αρχική τιμή, ενώ η επιμήκυνση στο σπάσιμο μειώνεται (Εικ. 7). Η διαδικασία γήρανσης διαρκεί για μέρες, αλλά μειώνεται σε λίγες ώρες ή μόνο λεπτά, εάν ο δομικός χάλυβας θερμανθεί σε περίπου 300 oC. Θα πρέπει επίσης να αναφερθεί ότι η γήρανση με διατάσεις συμβαίνει ταυτόχρονα με το τέντωμα, εάν αυτό συμβαίνει σε θερμοκρασία. 200 – 400 oC, δηλαδή στην περιοχή μπλε λάμψης.
Εικ. 7 - α) γραμμή διαστολής ράβδου διπλού φορτίου. β) γραμμή διαστολής μιας ράβδου τεντωμένης σε ψυχρή κατάσταση
Μετέπειτα δράση και υστέρηση: Σε ένα εντελώς ελαστικό υλικό, υπάρχει μια σαφής αμοιβαία εξάρτηση μεταξύ της κατάστασης τάσης και παραμόρφωσης, έτσι ώστε ορισμένες τάσεις να αντιστοιχούν πάντα στις ίδιες παραμορφώσεις και αντίστροφα. Με έναν δεδομένο νόμο ελαστικότητας, οι παραμορφώσεις δεν εξαρτώνται από τον χρόνο που έχει παρέλθει από τότε που εφαρμόστηκε το φορτίο, ούτε από τον τρόπο με τον οποίο εφαρμόζεται το φορτίο. Οι αποκλίσεις από την καθαρά ελαστική συμπεριφορά μπορούν να περιγραφούν σε δύο βαθμούς προσέγγισης: στην ελαστική περιοχή υπάρχουν μικρές αποκλίσεις. μπορούν να αγνοηθούν στην πρώτη προσέγγιση. Μπορούν να προσδιοριστούν με ακριβείς μετρήσεις, ειδικά όταν συγκρίνουμε την τάση πιο κοντά στο όριο ελαστικότητας. Δηλαδή, η διαστολή δεν είναι μόνο συνάρτηση της τάσης, αλλά με κλειστό κύκλο φορτίου και την ίδια τάση, είναι πάντα ελαφρώς μικρότερη κατά την εκφόρτωση από ό,τι κατά τη φόρτωση. Απόκλιση από την πλήρη ελαστικότητα, δηλ. η διαφορά μεταξύ των αντίστοιχων διαστολών στις ίδιες τάσεις ονομάζεται ελαστική υστέρηση. Εάν ο κύκλος φορτίου επαναλαμβάνεται συχνότερα, αυτό επιτυγχάνεται σε όχι πολύ υψηλές τάσεις - ένας κλειστός βρόχος υστέρησης ή απόσβεσης. Sl. Το 8 δείχνει τους βρόχους απόσβεσης για διάφορες τιμές φορτίου AC. Το πλάτος των βρόχων αυξάνεται έντονα με το ύψος της τάσης. Το εμβαδόν του βρόχου είναι ανάλογο με το έργο παραμόρφωσης, το οποίο χάνεται σε κάθε κύκλο και μετατρέπεται σε θερμότητα. Επίσης, οι παραμορφώσεις είναι μεταβλητές όχι μόνο με το ύψος της τάσης αλλά και με το χρόνο, εξαρτώνται από την ταχύτητα και τον τρόπο φόρτισης. Το μέρος της παραμόρφωσης, το οποίο εξαρτάται από το χρόνο, ονομάζεται μετα-επίδραση. Η υστέρηση και η επακόλουθη επίδραση συμβαίνουν ταυτόχρονα. Κατά κανόνα, δεν έχουν πρακτική σημασία για εκείνους τους τύπους χάλυβα κατασκευής που εμφανίζονται σε μεταλλικές κατασκευές σε θερμοκρασίες δωματίου.
Sl. 8
Σημείωση εφαρμογής: Οι ονομασίες ιστορικού υλικού, οι υποθέσεις, τα διαγράμματα και οι διαδικασίες στο κείμενο δεν θα πρέπει να χρησιμοποιούνται ως υποκατάστατο για τα τρέχοντα πρότυπα, τα συγκεκριμένα χαρακτηριστικά προϊόντος, το μοντέλο υπολογισμού και την επαλήθευση από εμπειρογνώμονα της συνολικής κατασκευής.