יסודות של מבני פלדה

הערה מקצועית חשובה: זהו טקסט חינוכי ארכיוני, לא מפרט עיצוב עדכני, חישוב סטטי, הוכחת כושר עומס או הוראות ייצור והרכבה. תכנון מבני פלדה חייב לכלול פעולות ממשיות, חיבורים, יציבות, עייפות, אש, קורוזיה וכל שאר התנאים הרלוונטיים בהתאם לתקנות ותקנים תקפים, באחריות המתכנן המורשה.

התכנון והבנייה של מבני פלדה אינם חלק מההצעה הציבורית הנוכחית של סאבו קוסיץ’. מיקוד הייצור של היום מורכב מחלונות עץ, חלונות עץ-אלומיניום ודלתות מותאמות אישית.

למבני פלדה יש ​​תכונה משותפת בכך שהם עשויים ברובם מפלדה מגולגלת חמה. Joining is done using rivets, screws or welding. זה כולל מבני פלדה לגשרים, מבנים, תעשייה וכרייה, הנדסה הידראולית, עמודים, מגדלים, טנקים, במובן הרחב יותר ולמנופים, בניית ספינות, דוודים וכו’. המוקד של המצגות הבאות הוא טיפול במושגי יסוד.

חומרים

חומר הבנייה העיקרי של קונסטרוקציות פלדה הם פרופילים מגולגלים מפלדה באיכות בנייה S235, S275, S355, S420, S450. בהתאם לתקן, ישנם מספר סוגים שונים של פלדת בנייה, כאשר המספר בסיווג מציין בדרך כלל את חוזק המתיחה של הפלדה. ישנם מספר סמלי אותיות, כאשר במקרה זה ה-S מייצג פלדה מבנית. הצורות הנפוצות ביותר בשימוש הן S, B (פלדות בטון, חיזוק) ו-Y (פלדת דחיפה).

תומך פלדה מגולגל

קיים מגוון רחב של תומכים בעלי צדודית פלדה ולכל אחד יש מטרה משלו, יתרונות וחסרונות.

• פרופילי U
• פרופילי I עם רגליים צרות (IPE, IPN)
• פרופילי I עם רגליים רחבות (HEA, HEB, HEM, HD)
• פרופילים/קופסאות חלולים (עגולים, מרובעים, מלבניים)
• סדינים
• מוצרים בעלי צורה קרה (המתקבלים על ידי גלגול קר של רצועה שטוחה ופיתול רצועה שטוחה)

כל אחד מהפרופילים הללו שונה בצורה, ממדים, מטרה וכו’. לדוגמה, ישנם מעל 20 פרופילי IPN שונים, הנבדלים במידותיהם; פרופילים גדולים יותר יכולים לעמוד טוב יותר בפיתול (כיפוף ופיתול לרוחב), סטיות וכו’.

ישנן ארבע מחלקות פלדה בהתאם לשאלה האם הן מגיעות לנקודת התנובה כאשר המתח מוגבר, האם הניתוח הוא פלסטי או אלסטי, מהי כושר העומס של החתך וכו’ כאשר המחלקה הראשונה היא הטובה ביותר והרביעית היא הגרועה ביותר. עוד על המבנה והחוזק של פלדה ניתן לקרוא כאן.

השוואת מתח וכושר נשיאה בעומס קבוע

כושר נשיאה. הממדים של מבני פלדה נקבעים כך שלא נכללים עיוותים קבועים משמעותיים. כושר הנשיאה, לעומת זאת, במקרים רבים אינו מיצה בשום צורה כאשר המתח ההשוואתי הגבוה ביותר מגיע לנקודת הניבול - אז העיוותים גדלים הרבה יותר מהר מהלחצים. עבור פלדה מבנית, אותה תלות כמו בעת כניעה יכולה להילקח כגבול של חוק הוק לתנאי לחץ כלליים. במקרה של מצבי לחץ הומוגניים, השווים בכל מקום, לא מתרחשים שינויים כאשר חורגת מגבול המידתיות, מלבד שסך העיוותים גדלים מהר יותר מהלחץ.

השוואת מתח במהלך כיפוף. במקרה של כיפוף של קורה, חלה התפלגות המתח הליווי לפי השערת Navier, עד שמתח הקצוות σ=M/W אינו חורג מגבול המידתיות. Longitudinal expansions ε = ε(σ). This is true at least for small bends. מתחים גבוהים מלחץ המידתיות יכולים רק לצמוח לאט יותר מההרחבות ε. באיור. 1 מציג את התפלגות מתח הכיפוף עבור דיאגרמת ההפעלה הנתונה ועבור ערכים שונים של התרחבות קצה. לכן שטח המידתיות (מסומן בעיגול בכל קווי המתח) הולך וקטן עם הרחבת הקצוות הגוברת. The edge voltage is first limited by σF. רק לאחר עיוותים משמעותיים מאוד, המתח המרבי עולה מעל σF, כך שהשפעת חיזוק הפלדה המבני נראית לעין (מקרה 5).

איור. 1 - השוואת מתח כיפוף

Equalization of stress peaks. The distribution of longitudinal stresses across the section through the middle of the hole in one tensioned drilled rod approximately corresponds to the line 2 in fig. 2. The voltage peak σmax depends on the d/b ratio. זה בעיקר סביב σmax = 2-3 σm, כאשר σm = S/FM מציין את הערך הממוצע של מתח המתיחה בקטע שנחלש על ידי החור ב-FM. Sl. 2 תקף עד שמצב המתח חורג מגבול ה-P. בעומסים גבוהים יותר, על מנת להשיג הרחבה מסוימת, יש צורך במתחים נמוכים יותר רק ליד החור מאשר לפי חוק הקו הישר. בנקודות הכי לחוצות, הלחצים לא יגדלו יותר באופן פרופורציונלי עם S, אלא לאט יותר. At the boundary, an approximately uniform distribution of longitudinal stresses σm = σf will be obtained over the entire section 2-2. Shear and transverse stresses were neglected. The occurrences of stress equalization during the slow increase of the force S in the rod prove that the usual method for steel structures under the effect of a static load is justified, to ignore the stress peaks during dimensioning and to compare only the average stress σm=S/Fm in the weakened section Fm with the permissible value.

איור. 2

הליך מימד לפי קיבולת עומס

With an increase in the load, there is an equalization of the voltage in the section. In doing so, the stresses are regrouped from the most stressed parts of the section to the less stressed. As long as the deformations are not so large that they have to be taken into account when setting the equilibrium conditions, this process cannot change anything on the magnitude of the influence of S, M, etc. for statically determined structures.

Continuous and frame supports: under the assumption of Hooke’s law, the moment line shown under a is obtained for one continuous support of constant section (fig. 3). The bending stresses are proportional to the bending moments M. If both loads increase equally, the P-limit will first be exceeded at the middle support B. The bearing limit is reached when the limiting moment MDF is reached in the field as well. In the case of a beam clamped on both sides of a constant symmetrical section with a concentrated force (fig. 4), equalization of moments exists from the beginning. When the P-limit is exceeded, there is no change in the moment distribution. On the contrary, in the case of an equally distributed load (fig. 5) the equalization of the moments leads to a reduction of the pinching moment from -2/3 Mo to -1/2 Mo.

Fig. 4

Fig. 3 וכדומה. 5, respectively: bending moments: a) before, b) limit state after force regrouping; a) before, b) after moment equalization

Lattice constructions: with internally statically indeterminate trusses, there are similar dependencies as with frame constructions. ניתן להזניח את הלחצים המשניים, הקשורים לצמתים הנוקשים בכיפוף, בקירוב הראשון בעת ​​הערכת כושר העומס. חלקים מפלסטיק פועלים בדומה למפרקים, כך שהפעולה הסטטית של הקורה תחת העומס האולטימטיבי שהיא עדיין יכולה לשאת קרובה יותר לזו של מסבך אידיאלי עם מפרקים בצמתים. במקרה של קונסטרוקציות עם עומסים שחוזרים על עצמם לעיתים תכופות, בהם יש לקחת בחשבון תופעות של חוזק עייפות, יש אפוא ספקות ניכרים נגד התחשבות בהשוואת כוחות במהלך הממדים. On the contrary, it is of practical importance to conclude on the influence of the displacement of supports. מכיוון שכוח העבודה של אלמנטים מבניים בודדים תלוי רק בגבולות הלחץ, ולא בגודל העיוותים הכוללים, לתזוזות התומכים אין השפעה על כושר הנשיאה.

עומס מתחלף: ההנחה של מקרה עומס קבוע מתממשת לעתים רחוקות. עם קורות גשרים, ישנם מצבי עומס משתנים. הנחות לגבי כוחות ופיזור מתח באלמנטים מבניים בודדים, אשר מפשטות, נפוצות בעבודה מעשית עם מבני פלדה, על פי הקודם, הן מוצדקות בנסיבות רגילות. זה נכון במיוחד עבור הזנחת פסגות מתח מקומיות. לא ניתן להמליץ ​​ליישם את שיטת המימד לפי כושר עומס בעומס עייפות (דינמי). לפיכך, הליך המימד על פי כושר העמסה מוגבל למקרה של עומסים סטטיים בעיקרם, במיוחד למבנים בענף הבניין. במקרים אחרים, בהם יש לשים לב להופעת עייפות, יהיה צורך לשלול עיוותים משמעותיים ולהתייחס לתיאוריית הגמישות כבסיס. בכך יש לשאוף למרחק מספיק גדול מנקודת היבול. הקשיחות של פלדת הבנייה מספקת אבטחה נוספת.

Alternating stress

Cold stretching and aging: In fig. 6 הוחל קו הרחבת המתח של מוט עגול, שהיה חשוף למתחים מתח ולחץ לסירוגין. תהליכי טעינה בודדים מסומנים במספרים לפי הסדר שלהם. הרחבות אלסטיות שחוזרות עם הפריקה מתרחשות גם לאחר מתיחות גדולות ביחס ללחצים. כאשר משנים את סימן המתח, מגבלת ה-P נעלמת כמעט לחלוטין. לכן, התכונות האלסטיות של פלדת הבנייה המצוירת במצב קר אינן מסכימות עם הערכים המקוריים. בהתאם לעיבוד הקודם, ניתן להציג הבדלים משמעותיים למדי.

איור. 6

יחד עם זה מגיעים עוד סימני הזדקנות. מונח זה כולל את כל השינויים במאפיינים המתרחשים לאורך זמן ללא השפעה חיצונית. ניתן להבחין בהזדקנות מתיחה לאחר דפורמציה קבועה על ידי מתיחה קרה. אם דגימות בדיקה נמתחות לצמיתות נותרות זמן מה ללא עומס בטמפרטורת החדר, חוזק המתיחה ובמידה פחותה חוזק הקריעה עולים מעל הערך המקורי, בעוד שההתארכות בשבירה פוחתת (איור 7). תהליך ההזדקנות נמשך ימים, אך מצטמצם למספר שעות או דקות בלבד, אם הפלדה המבנית מחוממת לכ- 300 oC. יש לציין גם שהזדקנות מתיחה מתרחשת במקביל למתיחות, אם זה קורה בטמפ’. 200 – 400 oC, כלומר באזור הזוהר הכחול.

איור. 7 - א) קו התפשטות של מוט טעון כפול; ב) קו הרחבה של מוט מתוח במצב קר

פעולה והיסטרזיס שלאחר מכן: בחומר אלסטי לחלוטין קיימת תלות הדדית חד משמעית בין מצב הלחץ והדפורמציה, כך שמתחים מסוימים מתאימים תמיד לאותם דפורמציות ולהיפך. עם חוק גמישות נתון, העיוותים אינם תלויים בזמן שחלף מאז הפעלת העומס, וגם לא באופן הפעלת העומס. ניתן לתאר סטיות מהתנהגות אלסטית גרידא בשתי דרגות קירוב: באזור האלסטי יש סטיות קטנות; ניתן להתעלם מהם בקירוב הראשון. ניתן לקבוע אותם על ידי מדידות מדויקות, במיוחד כאשר משווים את הלחץ קרוב יותר לגבול האלסטי. כלומר, התרחבות היא לא רק פונקציה של מתח, אלא עם מחזור עומס סגור ואותו מתח, היא תמיד קטנה במעט במהלך הפריקה מאשר במהלך הטעינה. סטייה מגמישות מלאה, כלומר. ההבדל בין הרחבות מתאימות באותם מתחים נקרא היסטרזה אלסטית. אם מחזור העומס חוזר על עצמו לעתים קרובות יותר, זה מתקבל במתחים לא גבוהים מדי - לולאה סגורה של היסטרזיס או שיכוך. Sl. 8 מציג את לולאות השיכוך עבור ערכי עומס AC שונים. רוחב הלולאות גדל מאוד עם גובה המתח. שטח הלולאה הוא פרופורציונלי לעבודת העיוות, אשר אובדת בכל מחזור ומומרת לחום. כמו כן, העיוותים משתנים לא רק עם גובה המתח אלא גם עם הזמן, הם תלויים במהירות ובשיטת הטעינה. החלק של העיוות, התלוי בזמן, נקרא אפקט שלאחר. היסטרזיס ותופעות לוואי מתרחשות בו זמנית. ככלל, אין להם חשיבות מעשית לאותם סוגי פלדת בנייה המתרחשים במבני פלדה בטמפרטורת החדר.

Sl. 8

הערה ליישום: אין להשתמש בכינויים היסטוריים של חומרים, הנחות, דיאגרמות ונהלים בטקסט כתחליף לסטנדרטים הנוכחיים, מאפייני מוצר ספציפיים, מודל חישוב ואימות מומחה של הבנייה הכוללת.