Svarīga profesionāla piezīme: Šis ir arhīva izglītojošs teksts, nevis pašreizējā dizaina specifikācija, statiskais aprēķins, kravnesības pierādījums vai ražošanas un montāžas instrukcijas. Tērauda konstrukciju projektēšanā jāiekļauj faktiskās darbības, savienojumi, stabilitāte, nogurums, ugunsgrēks, korozija un visi citi attiecīgie apstākļi saskaņā ar spēkā esošajiem noteikumiem un standartiem, par ko atbild pilnvarotais projektētājs.
Tērauda konstrukciju projektēšana un būvniecība neietilpst pašreizējā Savo Kusić publiskajā piedāvājumā. Šodienas ražošanas uzmanības centrā ir koka logi, koka-alumīnija logi un pielāgotas durvis.
Tērauda konstrukcijām ir kopīga iezīme, jo tās galvenokārt ir izgatavotas no karsti velmēta tērauda. Savienošana tiek veikta, izmantojot kniedes, skrūves vai metināšanu. Tas ietver tērauda konstrukcijas tiltiem, ēkām, rūpniecībai un kalnrūpniecībā, hidrotehnikā, pīlāriem, torņiem, cisternām plašākā nozīmē un celtņiem, kuģu būvei, katliem utt. Turpmākajās prezentācijās galvenā uzmanība tiek pievērsta pamatjēdzienu apskatei.
Materiāli
Tērauda konstrukciju galvenais būvmateriāls ir velmēti profili no celtniecības kvalitātes tērauda S235, S275, S355, S420, S450. Atkarībā no standarta ir vairāki dažādi celtniecības tērauda veidi, kur klasifikācijā skaitlis parasti norāda tērauda stiepes izturību. Ir vairāki burtu simboli, kur šajā gadījumā S apzīmē konstrukcijas tēraudu. Visbiežāk izmantotās formas ir S, B (betona tēraudi, armatūra) un Y (spriegojuma tērauds).
Tērauda velmēti balsti
Ir plašs tērauda profilēto balstu klāsts, un katram ir savs mērķis, priekšrocības un trūkumi.
- U veida profili
- I-profili ar šaurām kājām (IPE, IPN)
- I-profili ar platām kājām (HEA, HEB, HEM, HD)
- Dobi profili/kastes (apaļi, kvadrātveida, taisnstūrveida)
- Loksnes
- Auksti formēti izstrādājumi (iegūst, auksti velmējot plakanu sloksni un pagriežot plakanu sloksni)
Katrs no šiem profiliem atšķiras pēc formas, izmēriem, mērķa utt. Piemēram, ir vairāk nekā 20 dažādi IPN profili, kas atšķiras pēc izmēriem; lielāki profili var labāk izturēt izliekšanos (lieces un sānu vērpes), izlieces utt.
Ir četras tērauda klases atkarībā no tā, vai tie sasniedz tecēšanas robežu, kad tiek palielināts spriegums, vai analīze ir plastiska vai elastīga, kāda ir šķērsgriezuma nestspēja utt., kur pirmā klase ir labākā un ceturtā ir sliktākā. Vairāk par tērauda struktūru un izturību var lasīt šeit.
Sprieguma izlīdzināšana un nestspēja pie vienmērīgas slodzes
Nestspēja. Tērauda konstrukciju izmēri ir noteikti tā, lai izslēgtu būtiskas paliekošās deformācijas. Nestspēja gan daudzos gadījumos nekādā veidā netiek izsmelta, kad lielākais salīdzinošais spriegums sasniedz tecēšanas robežu - tad deformācijas aug daudz ātrāk nekā spriegumi. Konstrukciju tēraudam tādu pašu atkarību kā piekāpšanās gadījumā var uzskatīt par Huka likuma robežu vispārējiem sprieguma apstākļiem. Viendabīgu sprieguma stāvokļu gadījumā, kas ir vienādi visās vietās, pārsniedzot proporcionalitātes robežu, nekādas izmaiņas nenotiek, izņemot to, ka kopējās deformācijas aug ātrāk nekā spriegums.
Sprieguma izlīdzināšana lieces laikā. Sijas locīšanas gadījumā tiek piemērots taisnais spriegumu sadalījums pēc Navjē hipotēzes, līdz malas spriegums σ=M/W nepārsniedz proporcionalitātes robežu. Garenvirziena izplešanās ε = ε(σ). Tas attiecas vismaz uz nelieliem līkumiem. Spriegumi, kas ir lielāki par proporcionalitātes spriegumu, var augt tikai lēnāk nekā izplešanās ε. attēlā. 1 parāda lieces spriegumu sadalījumu dotajai darbības diagrammai un dažādām malas izplešanās vērtībām. Tāpēc proporcionalitātes laukums (apzīmēts ar apli uz visām sprieguma līnijām) kļūst arvien mazāks, palielinoties malu dilatācijai. Malas spriegumu vispirms ierobežo σF. Tikai pēc ļoti būtiskām deformācijām maksimālais spriegums paaugstinās virs σF, tādējādi kļūst redzama konstrukcijas tērauda stiegrojuma ietekme (gadījums 5).
att. 1 — lieces sprieguma izlīdzināšana
Sprieguma maksimumu izlīdzināšana. Garenisko spriegumu sadalījums visā griezumā caur urbuma vidu vienā nospriegotā urbtā stieņā aptuveni atbilst līnijai 2 attēlā. 2. Sprieguma maksimums σmax ir atkarīgs no d/b attiecības. Tas galvenokārt ir aptuveni σmax = 2-3 σm, kur σm = S/FM apzīmē vidējo stiepes sprieguma vērtību sadaļā, kuru vājina caurums pie FM. Sl. 2 ir spēkā, līdz sprieguma stāvoklis pārsniedz P robežu. Pie lielākām slodzēm, lai sasniegtu noteiktu dilatāciju, tikai cauruma tuvumā ir nepieciešami zemāki spriegumi nekā saskaņā ar taisnes likumu. Visvairāk noslogotajos punktos spriegumi vairs nepalielināsies proporcionāli S, bet gan lēnāk. Uz robežas tiks iegūts aptuveni vienmērīgs garenisko spriegumu sadalījums σm = σf pa visu posmu 2-2. Bīdes un šķērsspriegumi netika ņemti vērā. Sprieguma izlīdzināšanas rašanās, lēni palielinot spēku S stieņā, pierāda, ka ir pamatota parastā metode tērauda konstrukcijām statiskās slodzes ietekmē, ignorēt sprieguma maksimumus, veicot izmērus un salīdzināt tikai vidējo spriegumu σm=S/Fm vājinātajā posmā Fm ar pieļaujamo vērtību.
att. 2
Izmēru noteikšanas procedūra atbilstoši kravnesībai
Palielinoties slodzei, sekcijā notiek sprieguma izlīdzināšana. To darot, spriegumi tiek pārgrupēti no visvairāk noslogotajām sekcijas daļām uz mazāk noslogotajām. Kamēr deformācijas nav tik lielas, lai tās būtu jāņem vērā, uzstādot līdzsvara nosacījumus, šis process nevar neko mainīt uz S, M uc ietekmes lielumu ar statiski noteiktām struktūrām.
Nepārtraukti un rāmja balsti: saskaņā ar Huka likuma pieņēmumu to iegūst vienam nepārtrauktam konstanta sekcijas atbalstam (att.3) momenta līnija, kas parādīta zem a. Lieces spriegumi ir proporcionāli lieces momentiem M. Ja abas slodzes palielinās vienādi, vispirms tiks pārsniegta P robeža pie vidējā balsta B. Gultņa robeža tiek sasniegta, kad MDF ierobežojošais moments tiek sasniegts arī laukā. Ja sija ir piestiprināta abās nemainīgas simetriskas sekcijas pusēs ar koncentrētu spēku (att.4) momentu izlīdzināšana pastāv no sākuma. Pārsniedzot P robežu, momenta sadalījums nemainās. Gluži pretēji, vienmērīgi sadalītas slodzes gadījumā (Zīm.5) momentu izlīdzināšana noved pie saspiešanas momenta samazināšanās ar -2/3 Mapmēram uz -1/2 Mo.
Sl.4
Sl.3utt.5, attiecīgi: lieces momenti: a) pirms, b) robežstāvoklis pēc spēka pārgrupēšanas; a) pirms, b) pēc impulsa izlīdzināšanas
Režģu konstrukcijas: ar iekšēji statiski nenoteiktām kopnēm ir līdzīgas atkarības kā ar karkasa konstrukcijām. Sekundāros spriegumus, kas ir saistīti ar mezgliem, kas ir stingri lieces, pirmajā tuvinājumā, vērtējot kravnesību, var neņemt vērā. Plastificētās sekcijas darbojas līdzīgi savienojumiem, tāpēc sijas statiskā darbība pie maksimālās slodzes, ko tā joprojām var izturēt, ir tuvāka ideālai kopnei ar savienojumiem mezglos. Konstrukcijām ar bieži atkārtotām slodzēm, kurās jāņem vērā noguruma izturības parādības, pastāv lielas šaubas pret spēku izlīdzināšanas ņemšanu vērā, veicot izmērus. Gluži pretēji, praktiski svarīgi ir izdarīt secinājumus par balstu pārvietošanās ietekmi. Tā kā atsevišķu konstrukcijas elementu darba izturība ir atkarīga tikai no sprieguma robežām, nevis no kopējo deformāciju lieluma, tad balstu pārvietojumi neietekmē nestspēju.
Mainīga slodze: pieņēmums par nemainīgu slodzi tiek reti realizēts. Ar tilta sijām ir mainīgi slodzes stāvokļi. Pieņēmumi par spēku un spriegumu sadalījumu atsevišķos konstrukcijas elementos, kas vienkāršo, ir izplatīti praktiskajā darbā ar tērauda konstrukcijām, saskaņā ar iepriekšējo, tie ir attaisnojami parastos apstākļos. Tas jo īpaši attiecas uz vietējo sprieguma maksimumu neievērošanu. Nevar ieteikt pielietot izmēru noteikšanas metodi pēc kravnesības (dinamiskās) noguruma slodzes apstākļos. Tādējādi izmēru noteikšanas procedūra pēc kravnesības attiecas tikai uz pārsvarā statiskām slodzēm, īpaši būvniecībā. Citos gadījumos, kad uzmanība jāpievērš noguruma parādīšanās brīdim, būtiskas deformācijas būs jāizslēdz un par pamatu jāņem elastības teorija. To darot, jātiecas uz pietiekami lielu attālumu no ienesīguma robežas. Celtniecības tērauda stingrība nodrošina papildu drošību.
Mainīgs spriegums
Aukstā stiepšanās un novecošana: attēlā. 6 tika pielietota apaļa stieņa sprieguma-dilatācijas līnija, kas tika pakļauta mainīgiem stiepes un spiedes spriegumiem. Atsevišķi slodzes procesi tiek apzīmēti ar cipariem atbilstoši to secībai. Elastīgās dilatācijas, kas atgriežas pēc izkraušanas, rodas arī pēc lielām stiepēm proporcionāli spriegumiem. Mainot sprieguma zīmi, P-robeža gandrīz pilnībā pazūd. Tāpēc aukstā stāvoklī vilktā celtniecības tērauda elastīgās īpašības neatbilst sākotnējām vērtībām. Atkarībā no iepriekšējās apstrādes var parādīt diezgan būtiskas atšķirības.
att. 6
Līdz ar to parādās arī vairāk novecošanās pazīmju. Šis termins ietver visas izmaiņas īpašībās, kas notiek laika gaitā bez ārējas ietekmes. Stiepju novecošanos var novērot pēc paliekošas deformācijas ar aukstu stiepšanu. Ja pastāvīgi izstieptus testa paraugus kādu laiku atstāj bez slodzes istabas temperatūrā, stiepes izturība un, mazākā mērā, plīsuma izturība paaugstinās virs sākotnējās vērtības, bet pārtraukuma pagarinājums samazinās (7 att.). Novecošanās process ilgst vairākas dienas, bet tiek samazināts līdz dažām stundām vai tikai minūtēm, ja konstrukcijas tērauds tiek uzkarsēts līdz aptuveni 300 oC. Jāpiemin arī, ka stiepšanās novecošanās notiek vienlaikus ar stiepšanos, ja tas notiek pie temp. 200 – 400 oC, t.i., zilā mirdzuma zonā.
att. 7 - a) divkārši noslogota stieņa izplešanās līnija; b) aukstā stāvoklī izstiepta stieņa dilatācijas līnija
Turpmākā darbība un histerēze: Pilnīgi elastīgā materiālā pastāv nepārprotama savstarpēja atkarība starp sprieguma un deformācijas stāvokli, lai noteikti spriegumi vienmēr atbilstu vienādām deformācijām un otrādi. Ar noteiktu elastības likumu deformācijas nav atkarīgas no laika, kas pagājis kopš slodzes pielikšanas, kā arī nav atkarīgas no slodzes pielikšanas veida. Novirzes no tīri elastīgas uzvedības var aprakstīt divās tuvināšanas pakāpēs: elastīgajā reģionā ir nelielas novirzes; pirmajā tuvinājumā tos var ignorēt. Tos var noteikt ar precīziem mērījumiem, it īpaši, ja salīdzina spriegumu tuvāk elastības robežai. Proti, dilatācija ir ne tikai sprieguma funkcija, bet ar slēgtu slodzes ciklu un vienādu spriegumu tā vienmēr ir nedaudz mazāka izkraušanas laikā nekā slodzes laikā. Novirze no pilnīgas elastības, ti. atšķirību starp atbilstošajiem izplešanās gadījumiem pie vienādiem spriegumiem sauc par elastīgo histerēzi. Ja slodzes cikls tiek atkārtots biežāk, tas tiek iegūts pie ne pārāk augsta sprieguma - slēgta histerēzes vai amortizācijas cilpa. Sl. 8 parāda slāpēšanas cilpas dažādām maiņstrāvas slodzes vērtībām. Cilpu platums stipri palielinās līdz ar sprieguma augstumu. Cilpas laukums ir proporcionāls deformācijas darbam, kas tiek zaudēts katrā ciklā un pārvērsts siltumā. Arī deformācijas ir mainīgas ne tikai ar sprieguma augstumu, bet arī ar laiku, tās ir atkarīgas no slodzes ātruma un metodes. Deformācijas daļu, kas ir atkarīga no laika, sauc par pēcefektu. Histerēze un pēcefekts notiek vienlaicīgi. Parasti tiem nav praktiskas nozīmes tiem celtniecības tērauda veidiem, kas sastopami tērauda konstrukcijās istabas temperatūrā.
Sl. 8
Piezīme par pielietojumu: Vēsturiskos materiālu apzīmējumus, pieņēmumus, diagrammas un procedūras tekstā nedrīkst izmantot, lai aizstātu pašreizējos standartus, specifiskus izstrādājuma raksturlielumus, aprēķinu modeli un vispārējās konstrukcijas eksperta pārbaudi.