Svarbi profesinė pastaba: tai yra archyvinis mokomasis tekstas, o ne dabartinė projekto specifikacija, statinis skaičiavimas, keliamosios galios įrodymas arba gamybos ir surinkimo instrukcijos. Plieninių konstrukcijų projektavimas turi apimti faktinius veiksmus, jungtis, stabilumą, nuovargį, gaisrą, koroziją ir visas kitas susijusias sąlygas pagal galiojančius reglamentus ir standartus, už tai atsakingas įgaliotas projektuotojas.
Plieninių konstrukcijų projektavimas ir statyba nėra dabartinio viešo Savo Kusić pasiūlymo dalis. Šiandienos gamybą sudaro mediniai langai, mediniai-aliuminio langai ir standartinės durys.
Plieninės konstrukcijos turi bendrą bruožą, kad jos dažniausiai gaminamos iš karšto valcavimo plieno. Sujungimas atliekamas kniedėmis, varžtais arba suvirinant. Tai apima plienines tiltų, pastatų, pramonės ir kasybos, hidrotechnikos, stulpų, bokštų, cisternų konstrukcijas, plačiąja prasme ir kranų, laivų statybos, katilų ir kt.
Medžiagos
Pagrindinė plieninių konstrukcijų statybinė medžiaga yra valcuoti profiliai iš statybinio kokybiško plieno S235, S275, S355, S420, S450. Priklausomai nuo standarto, yra keli skirtingi statybinio plieno tipai, kur skaičius klasifikacijoje dažniausiai nurodo plieno atsparumą tempimui. Yra keletas raidžių simbolių, kur S šiuo atveju reiškia konstrukcinį plieną. Dažniausiai naudojamos formos S, B (betoniniai plienai, armatūra) ir Y (įtempiamasis plienas).
Plieninės valcuotos atramos
Plieninių profiliuotų atramų asortimentas yra platus ir kiekviena turi savo paskirtį, privalumus ir trūkumus.
- U profiliai
- I profiliai siauromis kojelėmis (IPE, IPN)
- I profiliai su plačiomis kojomis (HEA, HEB, HEM, HD)
- Tuščiaviduriai profiliai/dėžės (apvalios, kvadratinės, stačiakampės)
- Lakštai
- Šaltai formuoti gaminiai (gaunami šaltai valcuojant plokščią juostelę ir sukant plokščią juostelę)
Kiekvienas iš šių profilių skiriasi forma, matmenimis, paskirtimi ir pan. Pavyzdžiui, yra daugiau nei 20 skirtingų IPN profilių, kurie skiriasi matmenimis; didesni profiliai geriau atlaiko lenkimą (lenkimą ir šoninį-sukimą), deformacijas ir kt.
Priklausomai nuo to, ar padidinus įtempius jie pasiekia takumo ribą, ar analizė plastinė, ar elastinga, kokia yra skerspjūvio apkrova ir pan., yra keturios plieno klasės, kuriose pirma klasė yra geriausia, o ketvirta – prasčiausia. Daugiau apie plieno struktūrą ir stiprumą galite perskaityti čia.
Įtampos išlyginimas ir keliamoji galia esant pastoviai apkrovai
Laiamoji galia. Plieninių konstrukcijų matmenys nustatomi taip, kad būtų išvengta reikšmingų liekamųjų deformacijų. Tačiau laikomoji galia daugeliu atvejų niekaip neišsenka, kai didžiausias lyginamasis įtempis pasiekia takumo ribą – tuomet deformacijos auga daug greičiau nei įtempimai. Konstrukciniam plienui ta pati priklausomybė, kaip ir stangrumo atveju, gali būti laikoma Huko dėsnio riba bendroms įtempių sąlygoms. Esant homogeninėms įtempių būsenoms, kurios yra lygios visose vietose, viršijus proporcingumo ribą, pokyčių nevyksta, išskyrus tai, kad suminės deformacijos auga greičiau nei įtempis.
Įtempių išlyginimas lenkimo metu. Sijos lenkimo atveju taikomas tiesinis įtempių pasiskirstymas pagal Navier hipotezę, kol briaunos įtempis σ=M/W neviršija proporcingumo ribos. Išilginiai plėtimai ε = ε(σ). Tai galioja bent jau mažiems posūkiams. Įtempiai, kurie yra didesni už proporcingumo įtempį, gali augti tik lėčiau nei plėtimai ε. Fig. 1 rodo lenkimo įtempių pasiskirstymą pagal pateiktą veikimo diagramą ir įvairias briaunos plėtimosi vertes. Todėl proporcingumo sritis (pažymėta apskritimu visose įtampos linijose) tampa vis mažesnė, didėjant krašto išsiplėtimui. Krašto įtampa pirmiausia apribota σF. Tik po labai reikšmingų deformacijų didžiausias įtempis pakyla virš σF, todėl matosi konstrukcinės plieno armatūros įtaka (5 atvejis).
pav. 1 – lenkimo įtampos išlyginimas
Įtempių smailių išlyginimas. Išilginių įtempių pasiskirstymas atkarpoje per skylės vidurį viename įtemptame gręžtiniame strype apytiksliai atitinka tiesę 2 pav. 2. Įtampos smailė σmax priklauso nuo d/b santykio. Dažniausiai jis yra maždaug σmax = 2-3 σm, kur σm = S/FM reiškia vidutinę tempimo įtempio vertę ruože, susilpnėjusiu dėl FM skylės. Sl. 2 galioja tol, kol įtampos būsena viršija P ribą. Esant didesnėms apkrovoms, norint pasiekti tam tikrą išsiplėtimą, mažesnės įtampos reikia tik šalia skylės, nei pagal tiesės dėsnį. Labiausiai įtemptuose taškuose įtempiai nebedidės proporcingai S, o lėčiau. Ties riba bus gautas maždaug vienodas išilginių įtempių pasiskirstymas σm = σf per visą atkarpą 2-2. Šlyties ir skersiniai įtempiai buvo nepaisyti. Įtempių išlyginimo reiškiniai lėtai didėjant jėgai S strype įrodo, kad įprastas metodas plieninėms konstrukcijoms, veikiant statinei apkrovai, pasiteisina, matuojant nepaisyti įtempių smailių ir palyginti tik vidutinį įtempį σm=S/Fm susilpnintame ruože Fm su leistina reikšme.
pav. 2
Matmenų nustatymo procedūra pagal apkrovą
Didėjant apkrovai sekcijoje atsiranda įtampos išlyginimas. Tai darant, įtempiai pergrupuojami iš labiausiai įtemptų pjūvio dalių į mažiau įtemptas. Kol deformacijos nėra tokios didelės, kad į jas reikėtų atsižvelgti nustatant pusiausvyros sąlygas, šis procesas nieko negali pakeisti S, M ir kt. įtakos dydžiui esant statiškai nustatytoms struktūroms.
Ištisinės ir rėminės atramos: pagal Huko dėsnį jis gaunamas už vieną ištisinę pastovios sekcijos atramą (1 pav.).3) momento linija, parodyta po a. Lenkimo įtempiai yra proporcingi lenkimo momentams M. Jei abi apkrovos padidės vienodai, pirmiausia bus viršyta P riba ties vidurine atrama B. Guolių riba pasiekiama, kai ribinis momentas MDF pasiekiamas ir lauke. Jei sija su koncentruota jėga prispausta abiejose pastovios simetriškos sekcijos pusėse (pav.4) momentų išlyginimas egzistuoja nuo pat pradžių. Viršijus P ribą, momento pasiskirstymas nesikeičia. Priešingai, esant vienodai paskirstytai apkrovai (2 pav.).5) momentų išlyginimas sumažina suspaudimo momentą su -2/3 Mapie -1/2 Mo.
Sl.4
Sl.3ir tt5, atitinkamai: lenkimo momentai: a) prieš, b) ribinė būsena po jėgos pergrupavimo; a) prieš, b) išlyginus impulsą
Grotelių konstrukcijos: su viduje statiškai neapibrėžtomis santvaromis yra panašios priklausomybės kaip ir su karkasinėmis konstrukcijomis. Vertinant keliamąją galią, pirmuoju aproksimavimu galima nepaisyti antrinių įtempių, susijusių su mazgais, kurie yra standūs lenkiant. Plastifikuotos sekcijos veikia panašiai kaip jungtys, todėl sijos statinis veikimas esant didžiausiai apkrovai, kurį ji vis dar gali išlaikyti, yra artimesnis idealios santvaros su jungtimis mazguose. Dėl dažnai pasikartojančių apkrovų konstrukcijų, kuriose reikia atsižvelgti į nuovargio stiprumo reiškinius, kyla didelių abejonių dėl jėgų išlyginimo skaičiuojant matmenis. Priešingai, praktikoje svarbu daryti išvadą apie atramų poslinkio įtaką. Kadangi atskirų konstrukcinių elementų darbinis stiprumas priklauso tik nuo įtempių ribų, o ne nuo bendrųjų deformacijų dydžio, atramų poslinkiai laikomajai galiai įtakos neturi.
Kintamoji apkrova: prielaida, kad apkrova yra pastovi, retai įgyvendinama. Su tilto sijomis yra kintamos apkrovos būsenos. Prielaidos apie jėgų ir įtempių pasiskirstymą atskiruose konstrukcijos elementuose, kurios supaprastina, yra dažnos praktiniame darbe su plieninėmis konstrukcijomis, pagal ankstesnę, įprastomis aplinkybėmis pasiteisina. Tai ypač pasakytina apie vietinės įtampos smailių nepaisymą. Nerekomenduojama taikyti matmenų nustatymo metodo pagal keliamąją galią esant (dinaminei) nuovargio apkrovai. Taigi matmenų nustatymo procedūra pagal keliamąją galią apsiriboja vyraujančiomis statinėmis apkrovomis, ypač statybos pramonėje. Kitais atvejais, kai reikia atkreipti dėmesį į nuovargio atsiradimą, reikės atmesti reikšmingas deformacijas ir remtis elastingumo teorija. Tai darant reikia siekti pakankamai didelio atstumo nuo takumo taško. Tada statybinio plieno tvirtumas suteikia papildomo saugumo.
Kintamasis įtempis
Tempimas šaltas ir senėjimas: pav. 6 pritaikyta apvalaus strypo įtempių išsiplėtimo linija, kuri buvo veikiama kintamų tempimo ir gniuždymo įtempių. Atskiri krovimo procesai žymimi skaičiais pagal jų eiliškumą. Elastiniai išsiplėtimai, kurie grįžta iškraunant, atsiranda ir po didelių tempimų proporcingai įtempimams. Keičiant įtampos ženklą, P riba beveik visiškai išnyksta. Todėl šaltoje būsenoje tempto statybinio plieno tamprumo savybės nesutampa su pradinėmis vertėmis. Priklausomai nuo ankstesnio apdorojimo, gali būti rodomi gana dideli skirtumai.
pav. 6
Kartu atsiranda ir daugiau senėjimo požymių. Šis terminas apima visus savybių pokyčius, kurie laikui bėgant atsiranda be išorinės įtakos. Tempimo senėjimas gali būti stebimas po nuolatinės deformacijos šalto tempimo būdu. Jei pastoviai įtempti bandiniai paliekami tam tikrą laiką be apkrovos kambario temperatūroje, tempiamasis stipris ir, kiek mažesniu mastu, atsparumas plyšimui pakyla virš pradinės vertės, o pailgėjimas trūkimo metu sumažėja (7 pav.). Senėjimo procesas trunka kelias dienas, tačiau sutrumpėja iki kelių valandų ar vos minučių, jei konstrukcinis plienas įkaitinamas iki maždaug 300 oC. Taip pat reikia paminėti, kad tempimo senėjimas vyksta kartu su tempimu, jei tai vyksta temp. 200 – 400 oC, t.y. mėlynoje švytėjimo zonoje.
Pav. 7 - a) dvigubai apkrauto strypo išsiplėtimo linija; b) šaltoje būsenoje ištempto strypo išsiplėtimo linija
Vėlesnis veikimas ir histerezė: Visiškai elastingoje medžiagoje yra vienareikšmė abipusė priklausomybė tarp įtempių ir deformacijos būsenų, todėl tam tikri įtempiai visada atitinka tas pačias deformacijas ir atvirkščiai. Esant tam tikram elastingumo dėsniui, deformacijos nepriklauso nuo laiko, praėjusio nuo apkrovos taikymo, taip pat nuo apkrovos veikimo būdo. Nukrypimus nuo grynai elastingo elgesio galima apibūdinti dviem aproksimacijos laipsniais: elastingoje srityje yra nedideli nukrypimai; pirmuoju aproksimavimu jų galima nepaisyti. Juos galima nustatyti tiksliais matavimais, ypač lyginant įtempį arčiau tamprumo ribos. Būtent, išsiplėtimas yra ne tik įtampos funkcija, bet esant uždaram apkrovos ciklui ir tokiai pat įtampai, iškrovimo metu ji visada yra šiek tiek mažesnė nei pakrovimo metu. Nukrypimas nuo visiško elastingumo, t. skirtumas tarp atitinkamų plėtimųsi esant tiems patiems įtempiams vadinamas elastine histereze. Jei apkrovos ciklas kartojamas dažniau, tai gaunama esant ne per aukštai įtampai – uždara histerezės arba slopinimo kilpa. Sl. 8 rodo slopinimo kilpas įvairioms kintamosios srovės apkrovos vertėms. Kilpų plotis stipriai didėja didėjant įtampos aukščiui. Kilpos plotas yra proporcingas deformacijos darbui, kuris prarandamas kiekvieno ciklo metu ir paverčiamas šiluma. Taip pat deformacijos kinta ne tik nuo įtampos aukščio, bet ir nuo laiko, jos priklauso nuo apkrovos greičio ir būdo. Deformacijos dalis, kuri priklauso nuo laiko, vadinama poveikiu. Histerezė ir pasekmės atsiranda vienu metu. Paprastai jie neturi praktinės reikšmės tiems statybinio plieno tipams, kurie yra plieninėse konstrukcijose kambario temperatūroje.
Sl. 8
Taikymo pastaba: Istoriniai medžiagų žymėjimai, prielaidos, diagramos ir procedūros tekste neturėtų būti naudojami kaip dabartinių standartų, konkrečių gaminio charakteristikų, skaičiavimo modelio ir visos konstrukcijos ekspertinio patikrinimo pakaitalas.