Važna stručna napomena: Ovo je arhivski obrazovni tekst, a ne trenutna specifikacija dizajna, statički proračun, dokaz nosivosti ili upute za proizvodnju i montažu. Projektiranje čeličnih konstrukcija mora obuhvatiti stvarne učinke, spojeve, stabilnost, zamor, požar, koroziju i sve druge relevantne uvjete prema važećim propisima i standardima, uz odgovornost ovlaštenog projektanta.
Projektiranje i izvođenje čeličnih konstrukcija nije dio trenutne javne ponude Save Kusića. Današnji fokus proizvodnje čine drveni prozori, drveno-aluminijski prozori i vrata po narudžbi.
Čelične konstrukcije imaju zajedničku značajku po tome što su uglavnom izrađene od vruće valjanog čelika. Spajanje se vrši zakovicama, vijcima ili zavarivanjem. To uključuje čelične konstrukcije za mostove, zgrade, industriju i rudarstvo, hidrotehniku, stupove, tornjeve, spremnike, u širem smislu i za dizalice, brodogradnju, kotlove itd. Fokus sljedećih izlaganja je obrada osnovnih pojmova.
Materijali
Glavni građevinski materijal čeličnih konstrukcija su valjani profili od građevinskog čelika S235, S275, S355, S420, S450. Ovisno o normi, postoji nekoliko različitih vrsta konstrukcijskog čelika, gdje broj u klasifikaciji obično označava vlačnu čvrstoću čelika. Postoji nekoliko simbola slova, gdje u ovom slučaju S označava konstrukcijski čelik. Najčešći oblici koji se koriste su S, B (čelici za beton, armatura) i Y (čelici za prednapinjanje).
Čelični valjani nosači
Postoji širok izbor čeličnih profiliranih nosača i svaki ima svoju svrhu, prednosti i nedostatke.
- U-profili
- I-profili sa uskim nogama (IPE, IPN)
- I-profili sa širokim nogama (HEA, HEB, HEM, HD)
- Šuplji profili/kutije (okrugli, kvadratni, pravokutni)
- Listovi
- Hladno oblikovani proizvodi (dobiveni hladnim valjanjem ravne trake i upredanjem ravne trake)
Svaki od ovih profila razlikuje se po obliku, dimenzijama, namjeni itd. Na primjer, postoji preko 20 različitih IPN profila, koji se razlikuju po dimenzijama; veći profili mogu bolje podnijeti izvijanje (savijanje i bočno-torzijsko), progibe itd.
Postoje četiri klase čelika ovisno o tome da li pri povećanom naprezanju postižu granicu tečenja, da li je analiza plastična ili elastična, kolika je nosivost poprečnog presjeka itd. pri čemu je prva klasa najbolja, a četvrta najgora. Više o strukturi i čvrstoći čelika možete pročitati ovdje.
Izjednačavanje napona i nosivost pri ravnomjernom opterećenju
Nosivost. Dimenzije čeličnih konstrukcija određuju se tako da su isključene značajne trajne deformacije. Nosivost, s druge strane, u mnogim slučajevima nije ni na koji način iscrpljena kada najveće usporedno naprezanje dosegne granicu tečenja - tada deformacije rastu mnogo brže od naprezanja. Za konstrukcijski čelik, ista ovisnost kao kod popuštanja može se uzeti kao granica Hookeovog zakona za opća stanja naprezanja. U slučaju homogenih stanja naprezanja, koja su na svakom mjestu jednaka, ne dolazi do promjena kada se prijeđe granica proporcionalnosti, osim što ukupne deformacije rastu brže od naprezanja.
Izjednačavanje naprezanja pri savijanju. U slučaju savijanja grede vrijedi pravocrtna raspodjela naprezanja prema Navierovoj hipotezi, sve dok rubno naprezanje σ=M/W ne prijeđe granicu proporcionalnosti. Uzdužna rastezanja ε = ε(σ). Ovo vrijedi barem za male zavoje. Naprezanja koja su veća od proporcionalnog naprezanja mogu rasti samo sporije od ekspanzija ε. Na sl. 1 prikazuje raspodjelu naprezanja savijanja za dani radni dijagram i za različite vrijednosti širenja ruba. Područje proporcionalnosti (označeno kružićem na svim naponskim vodovima) stoga postaje sve manje i manje s povećanjem rubne dilatacije. Rubni napon je prvo ograničen sa σF. Tek nakon vrlo značajnih deformacija maksimalno naprezanje raste iznad σF, tako da postaje vidljiv utjecaj armature konstrukcijskog čelika (slučaj 5).
Sl. 1 - Izjednačavanje napona savijanja
Izjednačavanje vršnih naprezanja. Raspodjela uzdužnih naprezanja po presjeku kroz sredinu rupe u jednoj zategnutoj izbušenoj šipki približno odgovara liniji 2 na sl. 2. Vršni napon σmax ovisi o omjeru d/b. Uglavnom je oko σmax = 2-3 σm, gdje σm = S/FM označava prosječnu vrijednost vlačnog naprezanja u presjeku oslabljenom rupom na FM. Sl. 2 vrijedi dok stanje napona ne prijeđe P-granicu. Pri većim opterećenjima, da bi se postigla određena dilatacija, samo u blizini otvora potrebni su naponi niži nego prema pravocrtnom zakonu. U najnapregnutijim točkama naprezanja tada više neće rasti proporcionalno sa S, već će rasti sporije. Na granici će se dobiti približno jednolika raspodjela uzdužnih naprezanja σm = σf po cijelom presjeku 2-2. Posmična i poprečna naprezanja su zanemarena. Pojave izjednačavanja naprezanja pri polaganom porastu sile S u šipki dokazuju da je opravdan uobičajeni način čeličnih konstrukcija pod djelovanjem statičkog opterećenja, zanemariti vrhove naprezanja tijekom dimenzioniranja i uspoređivati samo prosječno naprezanje σm=S/Fm u oslabljenom presjeku Fm s dopuštenom vrijednošću.
Sl. 2
Postupak dimenzioniranja prema nosivosti
S povećanjem opterećenja dolazi do izjednačavanja napona u odsječku. Pritom se naprezanja pregrupiraju od najopterećenijih dijelova presjeka prema manje opterećenim. Sve dok deformacije nisu toliko velike da se moraju uzeti u obzir pri postavljanju uvjeta ravnoteže, ovaj proces ne može ništa promijeniti na veličini utjecaja S, M itd. za statički određene konstrukcije.
Kontinuirani i okvirni oslonci: pod pretpostavkom Hookeovog zakona, momentna linija prikazana pod a dobiva se za jedan kontinuirani oslonac konstantnog presjeka (sl. 3). Naprezanja na savijanje proporcionalna su momentima savijanja M. Ako oba opterećenja jednako rastu, P-granica će prvo biti prekoračena na srednjem nosaču B. Granica nosivosti je postignuta kada je granični moment MDF dostignut iu polju. U slučaju grede stegnute s obje strane konstantnog simetričnog presjeka koncentriranom silom (sl. 4), izjednačavanje momenata postoji od početka. Kada se prekorači P-granica, nema promjene u distribuciji momenta. Naprotiv, u slučaju jednako raspodijeljenog opterećenja (sl. 5) izjednačavanje momenata dovodi do smanjenja momenta priklještenja od -2/3 Mo do -1/2 Mo.
Sl. 4
Sl. 3 i slično. 5, odnosno: momenti savijanja: a) prije, b) granično stanje nakon pregrupiranja sila; a) prije, b) nakon izjednačenja momenta
Rešetkaste konstrukcije: kod interno statički neodređenih rešetki postoje slične ovisnosti kao i kod okvirnih konstrukcija. Sekundarna naprezanja koja se odnose na čvorove koji su kruti na savijanje mogu se u prvoj aproksimaciji zanemariti pri ocjeni nosivosti. Plastificirani dijelovi djeluju slično spojevima, tako da je statičko djelovanje nosača pod krajnjim opterećenjem koje još može podnijeti bliže onome idealne rešetke sa spojevima u čvorovima. U slučaju konstrukcija s često ponavljanim opterećenjem, kod kojih treba uzeti u obzir pojavu zamorne čvrstoće, postoje stoga znatne dvojbe protiv uzimanja u obzir izjednačavanja sila tijekom dimenzioniranja. Naprotiv, od praktične je važnosti zaključiti o utjecaju pomaka oslonaca. Budući da radna čvrstoća pojedinih konstrukcijskih elemenata ovisi samo o granicama naprezanja, a ne o veličini ukupnih deformacija, pomaci oslonaca ne utječu na nosivost.
Izmjenično opterećenje: pretpostavka o slučaju konstantnog opterećenja rijetko se ostvaruje. Kod nosača mostova postoje promjenljiva stanja opterećenja. Pretpostavke o raspodjeli sila i naprezanja u pojedinim elementima konstrukcije, pojednostavljeno, uobičajene su u praktičnom radu s čeličnim konstrukcijama, prema prethodnom, opravdane su u uobičajenim okolnostima. Ovo posebno vrijedi za zanemarivanje lokalnih vrhova napona. Ne može se preporučiti primjena metode dimenzioniranja prema nosivosti kod (dinamičkog) opterećenja od zamora. Stoga je postupak dimenzioniranja prema nosivosti ograničen na slučaj pretežno statičkih opterećenja, posebice na konstrukcije u građevinarstvu. U drugim slučajevima, u kojima treba obratiti pozornost na pojavu zamora, morat će se isključiti značajne deformacije i kao osnova uzeti teorija elastičnosti. Pri tome treba težiti dovoljno velikom odmaku od granice tečenja. Čvrstoća konstrukcijskog čelika tada pruža dodatnu sigurnost.
Izmjenični naglasak
Hladno istezanje i starenje: Na sl. 6 Primijenjena je linija dilatacije naprezanja okrugle šipke koja je bila izložena izmjeničnim vlačnim i tlačnim naprezanjima. Pojedinačni procesi opterećenja označeni su brojevima prema njihovom redoslijedu. Elastične dilatacije koje se vraćaju nakon rasterećenja također se javljaju nakon velikih rastezanja proporcionalno naprezanjima. Pri promjeni predznaka napona P-granica gotovo potpuno nestaje. Zbog toga se elastična svojstva konstrukcijskog čelika vučenog u hladnom stanju ne slažu s izvornim vrijednostima. Ovisno o prethodnoj obradi, mogu se pokazati prilično značajne razlike.
Sl. 6
Uz to dolazi više znakova starenja. Ovaj pojam uključuje sve promjene svojstava koje se događaju tijekom vremena bez vanjskog utjecaja. Starenje rastezanjem može se uočiti nakon trajne deformacije hladnim rastezanjem. Ako se trajno istegnuti ispitni uzorci ostave neko vrijeme bez opterećenja na sobnoj temperaturi, vlačna čvrstoća i, u manjoj mjeri, čvrstoća na kidanje raste iznad izvorne vrijednosti, dok rastezanje pri prekidu opada (Sl. 7). Proces starenja traje danima, ali se smanjuje na nekoliko sati ili samo minuta, ako se konstrukcijski čelik zagrije na oko 300 oC. Također treba spomenuti da se istezanjem starenje događa istovremeno s istezanjem, ako se to događa na temp. 200 – 400 oC, tj. u području plavog sjaja.
Sl. 7 - a) linija rastezanja dvostruko opterećene šipke; b) linija dilatacije štapa rastegnutog u hladnom stanju
Naknadno djelovanje i histereza: U potpuno elastičnom materijalu postoji nedvosmislena međusobna ovisnost između stanja naprezanja i deformacije, tako da određenim naprezanjima uvijek odgovaraju iste deformacije i obrnuto. Kod zadanog zakona elastičnosti deformacije ne ovise o vremenu proteklom od primjene opterećenja, a niti o načinu na koji je opterećenje primijenjeno. Odstupanja od čisto elastičnog ponašanja mogu se opisati u dva stupnja aproksimacije: u elastičnom području postoje mala odstupanja; mogu se u prvoj aproksimaciji zanemariti. Oni se mogu odrediti točnim mjerenjima, posebno kada se uspoređuju naprezanja bliže granici elastičnosti. Naime, dilatacija nije samo funkcija napona, već je kod zatvorenog ciklusa opterećenja i istog napona uvijek nešto manja kod rasterećenja nego kod opterećenja. Odstupanje od potpune elastičnosti, tj. razlika između odgovarajućih rastezanja pri istim naprezanjima naziva se elastična histereza. Ako se ciklus opterećenja češće ponavlja, to se dobiva na ne previsokim naponima - zatvorena petlja histereze ili prigušenja. Sl. 8 prikazuje petlje prigušenja za različite vrijednosti AC opterećenja. Širina petlji snažno raste s visinom napona. Površina petlje proporcionalna je radu deformacije, koji se gubi u svakom ciklusu i pretvara u toplinu. Također, deformacije su promjenjive ne samo s visinom napona nego i s vremenom, ovise o brzini i načinu opterećenja. Dio deformacije, koji ovisi o vremenu, naziva se naknadno djelovanje. Istodobno se javljaju histereza i naknadno djelovanje. Oni u pravilu nemaju praktičnu važnost za one vrste konstrukcijskog čelika koji se pojavljuju u čeličnim konstrukcijama pri sobnim temperaturama.
Sl. 8
Napomena za primjenu: Povijesne oznake materijala, pretpostavke, dijagrami i postupci u tekstu ne smiju se koristiti kao zamjena za važeće standarde, specifične karakteristike proizvoda, proračunski model i stručnu provjeru cjelokupne konstrukcije.