Fontos szakmai megjegyzés: Ez egy archív oktatási szöveg, nem aktuális tervezési specifikáció, statikai számítás, teherbírás igazolás vagy gyártási és összeszerelési útmutató. Az acélszerkezetek tervezésének tartalmaznia kell a tényleges hatásokat, csatlakozásokat, stabilitást, kifáradást, tüzet, korróziót és minden egyéb vonatkozó körülményt az érvényes előírások és szabványok szerint, a felhatalmazott tervező felelőssége mellett.
Az acélszerkezetek tervezése és kivitelezése nem része Savo Kusić jelenlegi nyilvános ajánlatának. Napjaink gyártási fókuszában a fa ablakok, a fa-alumínium ablakok és az egyedi ajtók állnak.
Az acélszerkezetek közös jellemzője, hogy többnyire melegen hengerelt acélból készülnek. Az összeillesztés szegecsekkel, csavarokkal vagy hegesztéssel történik. Ide tartoznak a hidak, épületek, ipar és bányászat, vízépítés, pillérek, tornyok, tartályok acélszerkezetei, tágabb értelemben és daruk, hajóépítés, kazánok stb. A következő előadások fókuszában az alapfogalmak kezelése áll.
Anyagok
Az acélszerkezetek fő építőanyaga az S235, S275, S355, S420, S450 építőipari minőségi acélból készült hengerelt profilok. Szabványtól függően többféle építőacél létezik, ahol az osztályozásban szereplő szám általában az acél szakítószilárdságát jelzi. Számos betűjel létezik, ahol ebben az esetben az S a szerkezeti acélt jelöli. A leggyakrabban használt formák az S, B (betonacélok, vasalás) és Y (előfeszítő acél).
Acél hengerelt támasztékok
Az acél profilozott tartók széles választéka létezik, és mindegyiknek megvan a maga célja, előnyei és hátrányai.
- U-profilok
- I-profil keskeny lábakkal (IPE, IPN)
- I-profilok széles lábakkal (HEA, HEB, HEM, HD)
- Üreges profilok/dobozok (kerek, négyzet alakú, téglalap alakú)
- Ágynemű
- Hidegen alakított termékek (lapos szalag hideg hengerlésével és lapos szalag csavarásával nyert)
Ezen profilok mindegyike különbözik alakban, méretben, célban stb. Például több mint 20 különböző IPN-profil létezik, amelyek méretei különböznek egymástól; a nagyobb profilok jobban bírják a kihajlást (hajlító és oldalirányú-torziós), az elhajlást stb.
Az acéloknak négy osztálya van attól függően, hogy a feszültség növelésekor elérik-e a folyáshatárt, plasztikus vagy rugalmas az elemzés, mekkora a keresztmetszet terhelhetősége stb., ahol az első osztály a legjobb, a negyedik pedig a legrosszabb. Az acél szerkezetéről és szilárdságáról bővebben itt olvashat.
Feszültségkiegyenlítés és teherbírás állandó terhelés mellett
Teherbírás. Az acélszerkezetek méretei úgy vannak meghatározva, hogy kizárják a jelentős maradandó alakváltozásokat. A teherbírás azonban sok esetben semmiképpen sem merül ki, amikor a legnagyobb összehasonlító feszültség eléri a folyáshatárt - ekkor az alakváltozások sokkal gyorsabban nőnek, mint a feszültségek. Szerkezeti acél esetében ugyanaz a függőség, mint az folyásnál, tekinthető a Hooke-törvény határának az általános feszültségviszonyokra. A minden helyen egyenlő homogén feszültségállapotok esetén az arányossági határ túllépése esetén nem történik változás, kivéve, hogy a teljes alakváltozások gyorsabban nőnek, mint a feszültség.
Feszültségkiegyenlítés hajlítás közben. Gerenda hajlítása esetén a Navier-hipotézis szerinti egyenes feszültségeloszlás érvényes, amíg a σ=M/W élfeszültség nem haladja meg az arányossági határt. Hosszirányú tágulások ε = ε(σ). Ez legalább a kis kanyarokra igaz. Az arányossági feszültségnél nagyobb igénybevételek csak lassabban növekedhetnek, mint az ε kiterjesztések. ábrán. 1 mutatja a hajlítófeszültség-eloszlást az adott működési diagramhoz és az éltágulás különböző értékeihez. Az arányosság területe (minden feszültségvonalon körrel jelölve) ezért az éltágulás növekedésével egyre kisebb lesz. Az élfeszültséget először σF korlátozza. Csak nagyon jelentős alakváltozások után emelkedik a maximális feszültség σF fölé, így láthatóvá válik a szerkezeti acél merevítés hatása (5 eset).
ábra. 1 – Hajlítási feszültség kiegyenlítés
Feszültségcsúcsok kiegyenlítése. A hosszirányú feszültségek eloszlása a furat közepén átmenő szakaszon egy feszített fúrt rúdban megközelítőleg megfelel a 2. ábrán látható 2 egyenesnek. 2. A σmax feszültségcsúcs a d/b aránytól függ. Leginkább σmax = 2-3 σm körül van, ahol σm = S/FM jelöli a húzófeszültség átlagos értékét az FM-en lévő furat által gyengített szakaszban. Sl. Az 2 addig érvényes, amíg a feszültségállapot túllépi a P-határt. Nagyobb terhelésnél egy bizonyos tágulás eléréséhez csak a furat közelében van szükség kisebb feszültségre, mint az egyenes vonal törvénye szerint. A leginkább igénybe vett pontokon a feszültségek ekkor már nem S-vel arányosan növekednek, hanem lassabban. A határon a hosszirányú feszültségek σm = σf megközelítőleg egyenletes eloszlása érhető el a teljes 2-2 szakaszon. A nyíró- és keresztirányú feszültségeket figyelmen kívül hagytuk. A feszültségkiegyenlítés előfordulása a rúdban az S erő lassú növekedése során azt igazolja, hogy indokolt a statikus terhelés hatására az acélszerkezeteknél szokásos módszer, a feszültségcsúcsok figyelmen kívül hagyása a méretezés során, és csak az Fm gyengített szakaszon az átlagos σm=S/Fm feszültséget hasonlítjuk össze a megengedett értékkel.
ábra. 2
Méretezési eljárás a terhelhetőség szerint
A terhelés növekedésével a szakaszon feszültségkiegyenlítés következik be. Ennek során a feszültségek átcsoportosításra kerülnek a szakasz legnagyobb igénybevételnek kitett részeitől a kevésbé feszített részekre. Amíg az alakváltozások nem olyan nagyok, hogy az egyensúlyi feltételek felállításakor figyelembe kell venni, addig ez a folyamat statikailag meghatározott szerkezetek esetén semmit nem változtat az S, M stb. hatásának nagyságán.
Folyamatos és kerettámaszok: a Hooke-törvény feltételezése szerint egy állandó keresztmetszetű folytonos támaszra kapjuk (ábra).3) nyomatékvonal az a alatt látható. A hajlítófeszültségek arányosak az M hajlítónyomatékokkal. Ha mindkét terhelés egyformán növekszik, akkor először a B középső támasznál lépjük túl a P-határt. A teherbírási határt akkor érjük el, ha az MDF határnyomatékot a szántóföldön is elérjük. Egy állandó szimmetrikus szakasz mindkét oldalán koncentrált erővel befogott gerenda esetén (ábra).4) pillanatnyi kiegyenlítés kezdettől fogva létezik. A P-határ túllépése esetén a nyomatékeloszlás nem változik. Éppen ellenkezőleg, egyenlően elosztott terhelés esetén (ábra).5) a nyomatékok kiegyenlítése a csípőnyomaték csökkenéséhez vezet -2/3 Mkörülbelül -1/2 Mo.
Sl.4
Sl.3stb.5, illetve: hajlítónyomatékok: a) előtti, b) erő-átcsoportosítás utáni határállapot; a) előtt, b) lendületkiegyenlítés után
Rácsszerkezetek: a belsőleg statikailag határozatlan rácsos tartóknál hasonló függőségek vannak, mint a vázszerkezeteknél. A másodlagos feszültségek, amelyek a hajlításban merev csomópontokhoz kapcsolódnak, első közelítésben figyelmen kívül hagyhatók a teherbírás értékelésekor. A lágyított szelvények a kötésekhez hasonlóan működnek, így a tartó statikus hatása a még elbírható végső terhelés mellett közelebb áll egy ideális rácsos tartóhoz, ahol a csomópontokban kötések vannak. A gyakran ismétlődő terhelésű konstrukcióknál, amelyeknél figyelembe kell venni a kifáradási szilárdsági jelenségeket, ezért komoly kétség merül fel a méretezés során az erőkiegyenlítés figyelembevételével szemben. Éppen ellenkezőleg, gyakorlati jelentőséggel bír a támasztékok elmozdulásának hatására vonatkozó következtetés. Mivel az egyes szerkezeti elemek üzemi szilárdsága csak a feszültséghatároktól függ, a teljes alakváltozások nagyságától nem, ezért a támasztékok elmozdulásai nem befolyásolják a teherbírást.
Változó terhelés: az állandó terhelés esetének feltételezése ritkán valósul meg. A hídtartóknál változó terhelési állapotok vannak. Az egyes szerkezeti elemek erő- és feszültségeloszlására vonatkozó, egyszerűsítő feltételezések gyakoriak az acélszerkezetekkel végzett gyakorlati munkában, az előző szerint hétköznapi körülmények között indokoltak. Ez különösen igaz a helyi feszültségcsúcsok figyelmen kívül hagyására. A teherbírás szerinti méretezési módszer alkalmazása (dinamikus) fárasztó terhelés mellett nem javasolható. Így a teherbírás szerinti méretezés a túlnyomórészt statikus terhelésekre korlátozódik, különösen az építőipari építményekre. Más esetekben, amikor a fáradtság megjelenésére kell figyelni, a jelentős alakváltozásokat ki kell zárni, és a rugalmasság elméletét kell alapul venni. Ennek során kellően nagy távolságra kell törekedni a folyáshatártól. Az építőacél szívóssága további biztonságot nyújt.
Váltakozó feszültség
Hidegen nyújtott nyújtás és öregedés: Az ábrán. 6 egy kerek rúd feszültség-dilatációs vonalát alkalmaztuk, amely váltakozó húzó- és nyomófeszültségnek volt kitéve. Az egyes betöltési folyamatokat a sorrendjüknek megfelelően számokkal jelöljük. A tehermentesítéskor visszatérő rugalmas tágulások a feszültségekkel arányosan nagy nyújtások után is előfordulnak. A feszültségjel megváltoztatásakor a P-határ szinte teljesen eltűnik. Ezért a hideg állapotban húzott szerkezeti acél rugalmas tulajdonságai nem egyeznek meg az eredeti értékekkel. Az előző feldolgozástól függően meglehetősen jelentős eltérések mutathatók ki.
ábra. 6
Ezzel együtt az öregedés több jele is megjelenik. Ez a fogalom magában foglalja a tulajdonságok minden olyan változását, amely az idő múlásával külső hatás nélkül történik. A nyúlásos öregedés a hideg nyújtással történő maradandó deformáció után figyelhető meg. Ha a tartósan megfeszített próbatesteket egy ideig terhelés nélkül hagyjuk szobahőmérsékleten, a szakítószilárdság és kisebb mértékben a szakítószilárdság az eredeti érték fölé emelkedik, miközben a szakadási nyúlás csökken (7 ábra). Az öregedési folyamat napokig tart, de néhány órára vagy percekre csökken, ha a szerkezeti acélt körülbelül 300 oC-ra hevítik. Azt is meg kell említeni, hogy a nyújtásos öregedés a nyújtással egyidejűleg következik be, ha ez hőmérsékleten történik. 200 – 400 oC, azaz a kéken világító területen.
ábra. 7 - a) duplán terhelt rúd tágulási vezetéke; b) hideg állapotban kifeszített rúd dilatációs vonala
Utólagos hatás és hiszterézis: Teljesen rugalmas anyagban egyértelmű kölcsönös függés van a feszültség és az alakváltozási állapot között, így bizonyos feszültségek mindig ugyanazoknak az alakváltozásoknak felelnek meg és fordítva. Egy adott rugalmassági törvény mellett az alakváltozások nem függenek a terhelés óta eltelt időtől, és nem is a terhelés hatásának módjától. A tisztán rugalmas viselkedéstől való eltérések két közelítési fokban írhatók le: a rugalmas régióban kis eltérések vannak; első közelítésben figyelmen kívül hagyhatók. Pontos mérésekkel határozhatók meg, különösen a rugalmassági határhoz közelebbi feszültség összehasonlításakor. Ugyanis a dilatáció nem csak a feszültség függvénye, hanem zárt terhelési ciklus mellett és azonos feszültség mellett mindig valamivel kisebb a tehermentesítésnél, mint a terhelésnél. Eltérés a teljes rugalmasságtól, pl. az azonos feszültségeknél a megfelelő tágulások közötti különbséget rugalmas hiszterézisnek nevezzük. Ha a terhelési ciklus gyakrabban megismétlődik, ez nem túl magas feszültségen érhető el - zárt hiszterézis vagy csillapítás. Sl. 8 mutatja a csillapítási hurkokat különböző váltakozó áramú terhelési értékekhez. A hurkok szélessége erősen növekszik a feszültség magasságával. A hurok területe arányos a deformációs munkával, amely minden ciklusban elveszik és hővé alakul. Emellett az alakváltozások nemcsak a feszültség magasságával, hanem az idővel is változnak, függenek a terhelés sebességétől és módjától. Az alakváltozás időtől függő részét utóhatásnak nevezzük. A hiszterézis és az utóhatás egyszerre jelentkezik. Az acélszerkezetekben szobahőmérsékleten előforduló szerkezeti acélfajták esetében általában nincs gyakorlati jelentősége.
Sl. 8
Alkalmazási megjegyzés: A szövegben szereplő történelmi anyagmegjelölések, feltételezések, diagramok és eljárások nem helyettesíthetők a jelenlegi szabványokkal, egyedi termékjellemzőkkel, számítási modellel és a teljes konstrukció szakértői ellenőrzésével.