Oluline erialane märkus: see on arhiiviõpetustekst, mitte praegune projekteerimisspetsifikatsioon, staatiline arvutus, kandevõimet tõendav dokument ega tootmis- ja montaažijuhised. Teraskonstruktsioonide projekteerimine peab hõlmama tegelikke toiminguid, ühendusi, stabiilsust, väsimust, tulekahju, korrosiooni ja kõiki muid asjakohaseid tingimusi vastavalt kehtivatele eeskirjadele ja standarditele, mille eest vastutab volitatud projekteerija.
Teraskonstruktsioonide projekteerimine ja ehitamine ei ole osa Savo Kusići praegusest avalikust pakkumisest. Tänapäeva tootmisfookuses on puitakend, puit-alumiinium aknad ja kohandatud uksed.
Teraskonstruktsioonide ühine omadus on see, et need on enamasti valmistatud kuumvaltsitud terasest. Ühendamine toimub neetide, kruvide või keevitamise abil. Siia kuuluvad teraskonstruktsioonid sildadele, hoonetele, tööstusele ja kaevandustele, hüdrotehnikale, sammastele, tornidele, mahutitele, laiemas mõttes ning kraanade, laevaehituse, katelde jms jaoks. Järgnevate ettekannete keskmes on põhimõistete käsitlemine.
Materjalid
Teraskonstruktsioonide põhiliseks ehitusmaterjaliks on valtsprofiilid ehituskvaliteetterasest S235, S275, S355, S420, S450. Olenevalt standardist on ehitusteraseid mitut erinevat tüüpi, kus klassifikatsioonis olev number näitab tavaliselt terase tõmbetugevust. Seal on mitu tähesümbolit, kus antud juhul S tähistab konstruktsiooniterast. Levinuimad vormid on S, B (betoonteras, armatuur) ja Y (eelpingestatud teras).
Terasest valtsitud toed
Terasest profileeritud tugede valik on lai ja igaühel neist on oma eesmärk, eelised ja puudused.
- U-profiilid
- Kitsaste jalgadega I-profiilid (IPE, IPN)
- Laiade jalgadega I-profiilid (HEA, HEB, HEM, HD)
- Õõnesprofiilid/kastid (ümmargused, ruudukujulised, ristkülikukujulised)
- Lehed
- Külmvormitud tooted (saadud lameda riba külmvaltsimisel ja lameda riba keeramisel)
Kõik need profiilid erinevad kuju, mõõtmete, otstarbe jne poolest. Näiteks on üle 20 erineva IPN-profiili, mis erinevad mõõtmete poolest; suuremad profiilid taluvad paremini paindumist (painde- ja külg-väändumist), läbipaineid jne.
Teraseid on neli klassi olenevalt sellest, kas nad jõuavad pinge suurendamisel voolavuspiirini, kas analüüs on plastiline või elastne, milline on ristlõike kandevõime jne, kus esimene klass on parim ja neljas kõige halvem. Lisateavet terase struktuuri ja tugevuse kohta saab lugeda siit.
Pinge ühtlustamine ja kandevõime püsiva koormuse korral
Kandevõime. Teraskonstruktsioonide mõõtmed määratakse nii, et välistatud on olulised püsideformatsioonid. Kandevõime seevastu paljudel juhtudel ei ammendu mitte kuidagi, kui suurim võrdluspinge jõuab voolavuspiirini - siis kasvavad deformatsioonid pingetest palju kiiremini. Konstruktsiooniterase puhul võib Hooke’i seaduse piiriks üldiste pingeseisundite puhul võtta sama sõltuvuse nagu järeleandmisel. Homogeensete pingeseisundite puhul, mis on igas kohas võrdsed, ei toimu proportsionaalsuse piiri ületamisel muutusi, välja arvatud see, et summaarsed deformatsioonid kasvavad pingest kiiremini.
Pingete võrdsustamine painutamisel. Tala painutamise korral kehtib Navier’ hüpoteesi kohane sirgjooneline pingejaotus, kuni servapinge σ=M/W ei ületa proportsionaalsuse piiri. Pikisuunalised paisumised ε = ε(σ). See kehtib vähemalt väikeste kurvide kohta. Ringed, mis on suuremad kui proportsionaalsed pinged, võivad kasvada ainult aeglasemalt kui laienemised ε. Joonisel fig. 1 näitab paindepingete jaotust antud töödiagrammi ja erinevate servade laienemise väärtuste jaoks. Proportsionaalsuse ala (tähistatud ringiga kõikidel pingeliinidel) muutub seetõttu järjest väiksemaks servade laienemisega. Serva pinget piirab kõigepealt σF. Alles pärast väga olulisi deformatsioone tõuseb maksimaalne pinge üle σF, nii et konstruktsiooni terasarmatuuri mõju on nähtav (juhtum 5).
Joon. 1 – painutuspinge ühtlustamine
Pingete tippude võrdsustamine. Pikisuunaliste pingete jaotus ühes pingutatud puurvarras oleva ava keskosa läbival lõigul vastab ligikaudu joonele 2 joonisel fig. 2. Pinge tipp σmax sõltub d/b suhtest. See on enamasti umbes σmax = 2-3 σm, kus σm = S/FM tähistab tõmbepinge keskmist väärtust FM-i ava poolt nõrgendatud sektsioonis. Sl. 2 kehtib seni, kuni pinge olek ületab P-piiri. Suurematel koormustel on teatud dilatatsiooni saavutamiseks vaja sirge seaduse järgi madalamaid pingeid ainult augu läheduses. Enim pingestatud punktides ei suurene pinged enam proportsionaalselt S-ga, vaid pigem aeglasemalt. Piiril saadakse ligikaudu ühtlane pikipingete σm = σf jaotus kogu lõigul 2-2. Nihke- ja põikpinged jäeti tähelepanuta. Pingede võrdsustumise esinemised jõu S aeglasel suurenemisel varras tõestavad, et staatilise koormuse mõjul teraskonstruktsioonide tavapärane meetod on põhjendatud, ignoreerida dimensioonimisel pingepiike ja võrrelda ainult keskmist pinget σm=S/Fm nõrgestatud lõigul Fm lubatud väärtusega.
Joon. 2
Mõõtmise protseduur vastavalt kandevõimele
Koormuse kasvades toimub sektsioonis pinge ühtlustumine. Seejuures pinged grupeeritakse ümber lõigu kõige pingestatud osadest vähem pingestatud osadele. Kuni deformatsioonid ei ole nii suured, et neid peaks tasakaalutingimuste seadmisel arvesse võtma, ei saa see protsess staatiliselt määratud struktuuride S, M jne mõju suurusel midagi muuta.
Pidevad ja raamitoed: Hooke’i seaduse eeldusel saadakse see ühe konstantse sektsiooni pideva toe kohta (joon.3) momendijoon, mis on näidatud all a. Paindepinged on võrdelised paindemomentidega M. Kui mõlemad koormused suurenevad võrdselt, ületatakse esmalt P-piir keskmisel toel B. Kandepiir saavutatakse, kui MDF-i piirmoment saavutatakse ka põllul. Konstantse sümmeetrilise lõigu mõlemale küljele kinnitatud tala puhul kontsentreeritud jõuga (joon.4) momendi võrdsus on olemas algusest peale. Kui P-piir on ületatud, siis momendijaotuses muutust ei toimu. Vastupidi, võrdselt jaotatud koormuse korral (joon.5) momentide võrdsustamine viib muljumismomendi vähenemiseni koos -2/3 Mumbes -1/2 Mo.
Sl.4
Sl.3jne.5, vastavalt: paindemomendid: a) enne, b) piirseisund pärast jõu ümbergrupeerimist; a) enne, b) pärast hoo võrdsustamist
Võrekonstruktsioonid: sisemiselt staatiliselt määramatute sõrestike puhul on sarnased sõltuvused nagu karkasskonstruktsioonide puhul. Teisesed pinged, mis on seotud paindes jäikade sõlmedega, võib kandevõime hindamisel esimeses lähenduses tähelepanuta jätta. Plastifitseeritud sektsioonid toimivad sarnaselt liitekohtadega, nii et tala staatiline toime maksimaalse koormuse all, mida see veel kanda suudab, on lähedasem ideaalsele sõrestikule, mille liigendid on sõlmedes. Tihti korduvate koormustega konstruktsioonide puhul, mille puhul tuleb arvestada väsimustugevusnähtustega, on seetõttu arvestatav kahtlus jõudude võrdsustamise arvestamises dimensioonimisel. Vastupidi, praktilise tähtsusega on teha järeldusi tugede nihke mõju kohta. Kuna üksikute konstruktsioonielementide töötugevus sõltub ainult pingepiiridest, mitte aga summaarsete deformatsioonide suurusest, ei mõjuta tugede nihked kandevõimet.
Vahelduv koormus: konstantse koormuse eeldust realiseeritakse harva. Sillatalade puhul on muutuva koormusega olekuid. Eeldused jõudude ja pingejaotuse kohta üksikutes konstruktsioonielementides, mis lihtsustavad, on praktilises töös teraskonstruktsioonidega tavalised, eelneva kohaselt on need tavaoludes põhjendatud. See kehtib eriti kohalike pingetippude tähelepanuta jätmise kohta. Kandevõime järgi mõõtmise meetodit (dünaamilisel) väsimuskoormusel ei saa soovitada rakendada. Seega piirdub kandevõime järgi mõõtmete määramine valdavalt staatiliste koormuste korral, eriti ehitustööstuse konstruktsioonidega. Muudel juhtudel, kui tuleb tähelepanu pöörata väsimuse ilmnemisele, tuleb välistada olulised deformatsioonid ja võtta aluseks elastsuse teooria. Seejuures tuleks püüda voolupiirist piisavalt suure kauguseni. Ehitusterase sitkus annab seejärel täiendava turvalisuse.
Vahelduv pinge
Külmvenitamine ja vanandamine: joonisel fig. 6 rakendati ümmarguse varda pingelaiendusjoont, mis oli avatud vahelduvatele tõmbe- ja survepingetele. Üksikud laadimisprotsessid on tähistatud numbritega vastavalt nende järjestusele. Mahalaadimisel taastuvad elastsed dilatatsioonid tekivad ka pärast suuri venitusi võrdeliselt pingetega. Pingemärgi muutmisel kaob P-piir peaaegu täielikult. Seetõttu ei ühti külmas olekus tõmmatud ehitusterase elastsusomadused algsete väärtustega. Sõltuvalt eelnevast töötlemisest võib näidata üsna olulisi erinevusi.
Joon. 6
Koos sellega kaasneb rohkem vananemise märke. See mõiste hõlmab kõiki muutusi omadustes, mis ilmnevad aja jooksul ilma välise mõjuta. Venitusvananemist võib täheldada pärast jäävdeformatsiooni külmvenitamise teel. Kui püsivalt venitatud katsekehad jäetakse mõneks ajaks toatemperatuuril koormamata, tõuseb tõmbetugevus ja vähemal määral ka rebimistugevus algväärtusest kõrgemale, samal ajal kui katkevenivus väheneb (joonis 7). Vananemisprotsess kestab päevi, kuid lüheneb mõne tunni või minutini, kui konstruktsiooniterast kuumutatakse umbes 300 oC-ni. Samuti tuleb mainida, et venitusvananemine toimub samaaegselt venitamisega, kui see toimub temp. 200 – 400 oC, st sinises helendusalas.
Joon. 7 - a) topeltkoormatud varda laiendusliin; b) külmas olekus venitatud varda laienemisjoon
Järgne toime ja hüsterees: Täiesti elastses materjalis on pinge ja deformatsiooni oleku vahel ühemõtteline vastastikune sõltuvus, mistõttu teatud pinged vastavad alati samadele deformatsioonidele ja vastupidi. Antud elastsusseaduse korral ei sõltu deformatsioonid koormuse rakendamisest möödunud ajast ega ka koormuse rakendamise viisist. Hälbeid puhtalt elastsest käitumisest saab kirjeldada kahe lähendusastmega: elastses piirkonnas on väikesed kõrvalekalded; neid võib esimeses lähenduses ignoreerida. Neid saab määrata täpsete mõõtmiste abil, eriti kui võrrelda pinget elastsuspiirile lähemal. Nimelt ei ole dilatatsioon ainult pinge funktsioon, vaid suletud koormustsükli ja sama pinge korral on see mahalaadimisel alati veidi väiksem kui laadimisel. Hälve täielikust elastsusest, st. samade pingete vastavate paisumiste erinevust nimetatakse elastseks hüstereesiks. Kui koormustsüklit korratakse sagedamini, saavutatakse see mitte liiga kõrgel pingel - suletud hüstereesi- või summutusahel. Sl. 8 näitab erinevate vahelduvvoolu koormuse väärtuste summutusahelaid. Silmuste laius suureneb tugevalt pinge kõrgusega. Silmuse pindala on võrdeline deformatsioonitööga, mis kaob igas tsüklis ja muundatakse soojuseks. Samuti on deformatsioonid varieeruvad mitte ainult pinge kõrguse, vaid ka ajaga, need sõltuvad kiirusest ja laadimisviisist. Deformatsiooni osa, mis sõltub ajast, nimetatakse järelmõjuks. Hüsterees ja järelmõju ilmnevad samaaegselt. Reeglina pole neil praktilist tähtsust nende ehitusterase tüüpide puhul, mis toatemperatuuril teraskonstruktsioonides esinevad.
Sl. 8
Rakendusmärkus: Ajaloolisi materjalide nimetusi, eeldusi, diagramme ja protseduure tekstis ei tohiks kasutada kehtivate standardite, konkreetsete tooteomaduste, arvutusmudeli ja kogu konstruktsiooni ekspertkontrolli asendajana.