Основи на челични конструкции

Важна стручна забелешка: Ова е архивски едукативен текст, а не актуелна спецификација за дизајн, статичка пресметка, доказ за носивост или инструкции за производство и склопување. Дизајнот на челичните конструкции мора да вклучува реални ефекти, споеви, стабилност, замор, пожар, корозија и сите други релевантни услови според важечките прописи и стандарди, со одговорност на овластениот проектант.

Проектот и изградбата на челични конструкции не е дел од тековната јавна понуда на Саво Кусиќ. Денешниот производствен фокус се состои од дрвени прозорци, дрвени-алуминиумски прозорци и прилагодени врати.

Челичните конструкции имаат заедничка карактеристика по тоа што главно се изработени од топловалан челик. Спојувањето се врши со помош на навртки, завртки или заварување. Ова вклучува челични конструкции за мостови, згради, индустрија и рударство, хидраулично инженерство, столбови, кули, резервоари, во поширока смисла и за кранови, бродоградба, котли итн. Фокусот на следните презентации е третирање на основните концепти.

Материјали

Главен градежен материјал на челичните конструкции се валани профили од квалитетен градежен челик S235, S275, S355, S420, S450. Во зависност од стандардот, постојат неколку различни видови градежен челик, каде што бројот во класификацијата обично ја означува цврстината на истегнување на челикот. Постојат неколку симболи со букви, каде што во овој случај S е кратенка за конструктивен челик. Најчестите облици што се користат се S, B (челици за бетон, арматура) и Y (челик за преднапрегање).

Челични валани потпори

Постои широк спектар на челични профилирани потпори и секоја има своја намена, предности и недостатоци.

• U-профили
• I-профили со тесни ногарки (IPE, IPN)
• I-профили со широки ногарки (HEA, HEB, HEM, HD)
• Шупливи профили/кутии (округли, квадратни, правоаголни)
• Листови
• Ладно формирани производи (добиени со ладно валање рамна лента и извртување на рамна лента)

Секој од овие профили се разликува по форма, димензии, намена итн. На пример, има преку 20 различни IPN профили, кои се разликуваат по димензии; поголемите профили можат подобро да издржат свиткување (флексурно и странично-торзионо), отклонувања итн.

Постојат четири класи на челик во зависност од тоа дали тие ја достигнуваат точката на попуштање кога напрегањето е зголемено, дали анализата е пластична или еластична, колкава е носивоста на пресекот итн. каде што првата класа е најдобра, а четвртата е најлоша. Повеќе за структурата и јачината на челикот може да прочитате тука.

Изедначување на напонот и носивост при стабилно оптоварување

Носително. Димензиите на челичните конструкции се определени така што се исклучуваат значителни трајни деформации. Носивоста, пак, во многу случаи не се исцрпува на никаков начин кога највисокото споредбено напрегање ќе ја достигне точката на попуштање - тогаш деформациите растат многу побрзо од напрегањата. За конструктивниот челик, истата зависност како при попуштање може да се земе како граница на Хуковиот закон за општа напонски состојби. Во случај на хомогени напонски состојби, кои се еднакви на секое место, не се случуваат промени кога ќе се надмине границата на пропорционалност, освен што вкупните деформации растат побрзо од стресот.

Изедначување на напрегањето при свиткување. Во случај на свиткување на греда, важи праволиниската распределба на напрегањето според Навиеровата хипотеза, додека напрегањето на рабовите σ=M/W не ја надмине границата на пропорционалност. Надолжни проширувања ε = ε(σ). Ова е точно барем за мали свиоци. Напрегањата што се повисоки од пропорционалниот напон можат да растат само побавно од проширувањата ε. На сл. 1 ја прикажува распределбата на напрегањето на свиткување за дадениот работен дијаграм и за различни вредности на проширување на рабовите. Областа на пропорционалност (означена со круг на сите напонски линии) затоа станува се помала и помала со зголемување на дилатација на рабовите. Напонот на рабовите прво е ограничен со σF. Само по многу значајни деформации максималното напрегање се искачува над σF, така што влијанието на конструктивната челична арматура станува видливо (случај 5).

Сл. 1 - Изедначување на напонот на свиткување

Изедначување на врвовите на напрегањата. Распределбата на надолжните напрегања низ пресекот низ средината на дупката во една затегната издупчена прачка приближно одговара на линијата 2 на сл. 2. Врвот на напон σmax зависи од односот d/b. Претежно е околу σmax = 2-3 σm, каде што σm = S/FM ја означува просечната вредност на напрегањето на истегнување во делот ослабен од дупката на FM. Сл. 2 важи додека напонската состојба не ја надмине границата P. При поголеми оптоварувања, за да се постигне одредено дилатација, потребни се напони помали од според праволинискиот закон само во близина на дупката. Во најнапрегнатите точки, напрегањата тогаш повеќе нема да се зголемуваат пропорционално со S, туку побавно. На границата ќе се добие приближно рамномерна распределба на надолжните напрегања σm = σf на целиот пресек 2-2. Беа занемарени напрегањата на смолкнување и попречни напрегања. Појавите на изедначување на напрегањата при бавното зголемување на силата S во прачката докажуваат дека е оправдан вообичаениот начин на челични конструкции под дејство на статичко оптоварување, да се игнорираат врвовите на напрегањето при димензионирање и да се спореди само просечниот напон σm=S/Fm во ослабениот пресек Fm со дозволената вредност.

Сл. 2

Постапка за димензионирање според носивоста

Како што се зголемува оптоварувањето, се случува изедначување на напонот во делот. Притоа, напрегањата се прегрупираат од најнапрегнатите делови на пресекот на помалку напрегнатите. Сè додека деформациите не се толку големи што треба да се земат предвид при поставувањето на условите за рамнотежа, овој процес не може ништо да промени на големината на влијанието на S, M итн. со статички одредени структури.

Континуирани и рамковни потпори: под претпоставка на Хуковиот закон, се добива за една континуирана поддршка на константен пресек (сл.3) линија на моментот прикажана под a. Напрегањата на свиткување се пропорционални со моментите на свиткување M. Ако двете оптоварувања се зголемат подеднакво, P-лимитот прво ќе се надмине на средната потпора B. Границата на лежиштето се достигнува кога ограничувачкиот момент MDF ќе се достигне и на терен. Во случај на зрак затегнат од двете страни на постојан симетричен пресек со концентрирана сила (сл.4) изедначувањето на моментот постои од почеток. Кога P-лимитот е надминат, нема промена во распределбата на моментот. Напротив, во случај на подеднакво распределено оптоварување (Сл.5) изедначувањето на моментите доведува до намалување на моментот на штипкање со -2/3 Mоколу на -1/2 Mо.

Сл.4

Сл. 3 и слично. 5, соодветно: моменти на свиткување: а) пред, б) гранична состојба по прегрупирање на силата; а) пред, б) изедначување по моментот

Решетки конструкции: со внатрешно статички неопределени фарми, постојат слични зависности како кај конструкциите на рамки. Секундарните напрегања, кои се поврзани со јазлите кои се крути при свиткување, може да се занемарат при првото приближување при проценка на носивоста. Пластифицираните делови делуваат слично на спојниците, така што статичкото дејство на носачот под крајното оптоварување што сè уште може да го носи е поблиску до она на идеална бандаж со спојници во јазлите. Во случај на конструкции со често повторливи оптоварувања, во кои треба да се земат предвид феномените на јачината на замор, затоа постојат значителни сомнежи да не се земе предвид изедначувањето на силите при димензионирањето. Напротив, од практично значење е да се заклучи за влијанието на поместувањето на потпорите. Бидејќи работната цврстина на поединечните конструктивни елементи зависи само од границите на напрегањето, а не од големината на вкупните деформации, поместувањата на потпорите немаат влијание врз носивоста.

Наизменично оптоварување: претпоставката за константно оптоварување ретко се реализира. Кај носачите на мостовите, постојат променливи состојби на оптоварување. Претпоставките за силите и распределбата на напрегањата во поединечни конструктивни елементи, кои се поедноставуваат, се вообичаени во практичната работа со челични конструкции, според претходната, тие се оправдани во вообичаени околности. Ова е особено точно за занемарување на локалните врвови на напон. Не може да се препорача примена на методот на димензионирање според носивоста при (динамично) оптоварување со замор. Така, постапката за димензионирање според носивоста е ограничена на случај на претежно статични оптоварувања, особено на конструкции во градежната индустрија. Во други случаи, во кои треба да се обрне внимание на појавата на замор, ќе треба да се исклучат значителни деформации и да се земе како основа теоријата на еластичност. Притоа, треба да се стремиме кон доволно големо растојание од точката на попуштање. Цврстината на градежниот челик потоа обезбедува одредена дополнителна сигурност.

Алтернативен стрес

Студено истегнување и стареење: На сл. 6 беше применета линијата на напрегање-дилатација на тркалезна прачка, која беше изложена на наизменични напрегања на истегнување и притисок. Поединечните процеси на оптоварување се означени со бројки според нивниот редослед. Еластичните дилатации кои се враќаат при истовар се јавуваат и по големи истегнувања пропорционално на напрегањата. При промена на знакот за напон, P-лимитот речиси целосно исчезнува. Затоа, еластичните својства на градежниот челик извлечен во ладна состојба не се согласуваат со оригиналните вредности. Во зависност од претходната обработка, може да се прикажат доста значајни разлики.

Сл. 6

Заедно со тоа доаѓаат и повеќе знаци на стареење. Овој термин ги вклучува сите промени во својствата што се случуваат со текот на времето без надворешно влијание. Стареењето на истегнување може да се забележи по трајна деформација со ладно истегнување. Ако трајно истегнатите примероци за тестирање се остават некое време без оптоварување на собна температура, јакоста на истегнување и, во помала мера, јачината на кинење се зголемуваат над првобитната вредност, додека издолжувањето при прекин се намалува (сл. 7). Процесот на стареење трае со денови, но се намалува на неколку часа или само минути, доколку структурниот челик се загрее на околу 300 oC. Исто така, треба да се спомене дека истегнувањето стареењето настанува истовремено со истегнување, доколку тоа се случува на темп. 200 – 400 oC, т.е. во областа на синиот сјај.

Сл. 7 - а) експанзионен вод на двојно оптоварена прачка; б) дилациона линија на прачка испружена во ладна состојба

Последното дејство и хистерезис: Кај целосно еластичен материјал постои недвосмислена меѓусебна зависност помеѓу напрегањето и деформационата состојба, така што одредени напрегања секогаш одговараат на истите деформации и обратно. Со даден закон за еластичност, деформациите не зависат од изминатото време од нанесувањето на оптоварувањето, а исто така не и од начинот на кој се нанесува товарот. Отстапувањата од чисто еластичното однесување може да се опишат во два степена на приближување: во еластичниот регион има мали отстапувања; тие можат да се игнорираат при првото приближување. Тие можат да се утврдат со точни мерења, особено кога се споредува напрегањето поблиску до границата на еластичноста. Имено, дилатацијата не е само функција на напонот, туку со затворен циклус на оптоварување и ист напон, секогаш е малку помал при растовар отколку при товарење. Отстапување од целосна еластичност, т.е. разликата помеѓу соодветните проширувања при исти напрегања се нарекува еластична хистереза. Ако циклусот на оптоварување се повторува почесто, тоа се добива при не премногу високи напони - затворена јамка на хистереза ​​или амортизација. Сл. 8 ги прикажува јамките за амортизација за различни вредности на оптоварување со наизменична струја. Ширината на јамките силно се зголемува со висината на напонот. Областа на јамката е пропорционална со работата на деформација, која се губи на секој циклус и се претвора во топлина. Исто така, деформациите се променливи не само со висината на напонот туку и со времето, тие зависат од брзината и начинот на оптоварување. Делот од деформацијата, кој зависи од времето, се нарекува последователен ефект. Хистерезата и последователниот ефект се јавуваат истовремено. Како по правило, тие немаат практично значење за оние типови на градежен челик што се појавуваат во челичните конструкции на собна температура.

Сл. 8

Забелешка за апликација: Ознаките на историскиот материјал, претпоставките, дијаграмите и процедурите во текстот не треба да се користат како замена за тековните стандарди, специфичните карактеристики на производот, пресметковниот модел и стручна проверка на целокупната конструкција.