Basisprincipes van staalconstructies

Belangrijke professionele opmerking: Dit is een educatieve archieftekst, geen actuele ontwerpspecificatie, statische berekening, bewijs van draagvermogen of productie- en montage-instructies. Het ontwerp van staalconstructies moet feitelijke belastingen, verbindingen, stabiliteit, vermoeiing, brand, corrosie en alle andere relevante omstandigheden omvatten volgens geldende voorschriften en normen, onder de verantwoordelijkheid van de geautoriseerde ontwerper.

Het ontwerp en de constructie van staalconstructies maakt geen deel uit van het huidige openbare aanbod van Savo Kusić. De huidige productiefocus bestaat uit houten ramen, houten-aluminium ramen en op maat gemaakte deuren.

Staalconstructies hebben als gemeenschappelijk kenmerk dat ze meestal zijn gemaakt van warmgewalst staal. Het verbinden gebeurt met klinknagels, schroeven of lassen. Denk hierbij aan staalconstructies voor bruggen, gebouwen, industrie en mijnbouw, waterbouw, pijlers, torens, tanks, in bredere zin en voor kranen, scheepsbouw, ketels, etc. De focus van de volgende presentaties ligt op de behandeling van basisconcepten.

Materialen

Het belangrijkste constructiemateriaal van staalconstructies zijn gewalste profielen uit constructiekwaliteitsstaal S235, S275, S355, S420, S450. Afhankelijk van de norm zijn er verschillende soorten constructiestaal, waarbij het getal in de classificatie meestal de treksterkte van het staal aangeeft. Er zijn verschillende lettersymbolen, waarbij in dit geval de S staat voor constructiestaal. De meest gebruikte vormen zijn S, B (betonstaal, wapening) en Y (voorspanstaal).

Staalgewalste steunen

Er is een ruim assortiment stalen profielsteunen en elk heeft zijn eigen doel, voor- en nadelen.

• U-profielen
• I-profielen met smalle poten (IPE, IPN)
• I-profielen met brede poten (HEA, HEB, HEM, HD)
• Holle profielen/dozen (rond, vierkant, rechthoekig)
• Lakens
• Koudgevormde producten (verkregen door een platte strip koud te walsen en een platte strip te draaien)

Elk van deze profielen verschilt qua vorm, afmetingen, doel, enz. Er zijn bijvoorbeeld meer dan 20 verschillende IPN-profielen, die qua afmetingen verschillen; grotere profielen zijn beter bestand tegen knikken (buig- en lateraal-torsie), doorbuigingen, enz.

Er zijn vier klassen staal, afhankelijk van of ze het vloeipunt bereiken wanneer de spanning wordt verhoogd, of de analyse plastisch of elastisch is, wat het draagvermogen van de doorsnede is, enz. Waarbij de eerste klasse de beste is en de vierde de slechtste. Meer over de structuur en sterkte van staal kunt u hier lezen.

Spanningsvereffening en draagvermogen bij constante belasting

Draagvermogen. De afmetingen van staalconstructies zijn zo bepaald dat significante blijvende vervormingen worden uitgesloten. Het draagvermogen daarentegen is in veel gevallen op geen enkele manier uitgeput wanneer de hoogste vergelijkende spanning de vloeigrens bereikt - dan groeien de vervormingen veel sneller dan de spanningen. Voor constructiestaal kan dezelfde afhankelijkheid als bij vloeien worden genomen als de limiet van de wet van Hooke voor algemene spanningstoestanden. Bij homogene spanningstoestanden, die overal gelijk zijn, treden er geen veranderingen op wanneer de evenredigheidsgrens wordt overschreden, behalve dat de totale vervormingen sneller groeien dan de spanning.

Egalisatie van spanning tijdens buigen. In het geval van buigen van een ligger is de rechtlijnige spanningsverdeling volgens de Navier-hypothese van toepassing, totdat de randspanning σ=M/W de grens van proportionaliteit niet overschrijdt. Longitudinale uitzettingen ε = ε(σ). Dit geldt in ieder geval voor kleine bochten. Spanningen die hoger zijn dan de proportionele spanning kunnen alleen langzamer groeien dan de uitzettingen ε. Op afb. 1 toont de buigspanningsverdeling voor het gegeven werkingsdiagram en voor verschillende waarden van randuitzetting. Het gebied van proportionaliteit (gemarkeerd met een cirkel op alle spanningslijnen) wordt daarom steeds kleiner bij toenemende randdilatatie. De flankspanning wordt eerst begrensd door σF. Pas na zeer significante vervormingen stijgt de maximale spanning boven σF, waardoor de invloed van de constructiestaalwapening zichtbaar wordt (geval 5).

Afb. 1 - Buigspanningsegalisatie

Vereffening van spanningspieken. De verdeling van de longitudinale spanningen over de doorsnede door het midden van het gat in één gespannen boorstaaf komt ongeveer overeen met de lijn 2 in afb. 2. De spanningspiek σmax hangt af van de d/b-verhouding. Het ligt meestal rond σmax = 2-3 σm, waarbij σm = S/FM de gemiddelde waarde aangeeft van de trekspanning in de sectie verzwakt door het gat bij FM. Sl. 2 is geldig totdat de spanningsstatus de P-limiet overschrijdt. Om een ​​bepaalde dilatatie te bereiken, zijn bij hogere belastingen alleen in de buurt van het gat spanningen nodig die lager zijn dan volgens de rechtlijnige wet. Op de zwaarst belaste punten zullen de spanningen dan niet meer proportioneel met S toenemen, maar veel langzamer. Op de grens wordt een ongeveer uniforme verdeling van de longitudinale spanningen σm = σf verkregen over het gehele traject 2-2. Schuif- en dwarsspanningen werden verwaarloosd. Het optreden van spanningsvereffening tijdens de langzame toename van de kracht S in de staaf bewijst dat de gebruikelijke methode voor staalconstructies onder invloed van een statische belasting gerechtvaardigd is, namelijk het negeren van de spanningspieken tijdens het dimensioneren en het vergelijken van alleen de gemiddelde spanning σm=S/Fm in het verzwakte gedeelte Fm met de toegestane waarde.

Afb. 2

Dimensioneringsprocedure volgens laadvermogen

Bij een toename van de belasting vindt er een egalisatie van de spanning in de sectie plaats. Daarbij worden de spanningen gehergroepeerd van de meest belaste delen van de sectie naar de minder belaste delen. Zolang de vervormingen niet zo groot zijn dat hiermee rekening moet worden gehouden bij het vaststellen van de evenwichtsomstandigheden, kan dit proces niets veranderen aan de grootte van de invloed van S, M, etc. voor statisch bepaalde constructies.

Doorlopende steunpunten en framesteunpunten: onder aanname van de wet van Hooke wordt de momentlijn weergegeven onder a verkregen voor één doorlopende steunpunt met constante doorsnede (fig. 3). De buigspanningen zijn evenredig met de buigmomenten M. Als beide belastingen evenveel toenemen, wordt de P-grens eerst overschreden bij de middensteun B. De draaggrens wordt bereikt als het grensmoment MDF ook in het veld wordt bereikt. In het geval van een balk die aan beide zijden van een constante symmetrische doorsnede is vastgeklemd met een geconcentreerde kracht (fig. 4), bestaat er vanaf het begin gelijkheid van momenten. Wanneer de P-limiet wordt overschreden, vindt er geen verandering plaats in de momentenverdeling. Integendeel, bij een gelijkmatig verdeelde belasting (fig. 5) leidt de egalisatie van de momenten tot een reductie van het knijpmoment van -2/3 Mo naar -1/2 Mo.

Fig. 4

Fig. 3 en dergelijke. 5 respectievelijk: buigmomenten: a) vóór, b) grenstoestand na krachthergroepering; a) voor, b) na momentegalisatie

Vakwerkconstructies: bij intern statisch onbepaalde spanten zijn er soortgelijke afhankelijkheden als bij frameconstructies. De secundaire spanningen, die verband houden met de knooppunten die stijf zijn bij buiging, kunnen bij de eerste benadering worden verwaarloosd bij het evalueren van het draagvermogen. Geplastificeerde profielen werken op dezelfde manier als verbindingen, zodat de statische werking van de ligger onder de ultieme belasting die deze nog kan dragen dichter bij die van een ideaal spant met verbindingen in de knooppunten ligt. Bij constructies met frequent herhaalde belastingen, waarbij rekening moet worden gehouden met vermoeiingssterkteverschijnselen, bestaan ​​er daarom grote twijfels om bij het dimensioneren rekening te houden met krachtenvereffening. Integendeel, het is van praktisch belang om conclusies te trekken over de invloed van de verplaatsing van steunen. Omdat de werksterkte van individuele structurele elementen alleen afhangt van de spanningslimieten, en niet van de grootte van de totale vervormingen, hebben de verplaatsingen van de steunen geen effect op het draagvermogen.

Alternerende belasting: de aanname van een constant belastinggeval wordt zelden gerealiseerd. Bij brugliggers zijn er variabele belastingstoestanden. Aannames over krachten en spanningsverdeling in individuele structurele elementen, die vereenvoudigen, zijn gebruikelijk in praktisch werk met staalconstructies, volgens de vorige zijn ze gerechtvaardigd onder gewone omstandigheden. Dit geldt vooral voor het verwaarlozen van lokale spanningspieken. Het is niet aan te raden om de methode van dimensioneren naar draagvermogen onder (dynamische) vermoeiingsbelasting toe te passen. Zo is de dimensionering op basis van draagvermogen beperkt tot overwegend statische belastingen, vooral bij constructies in de bouwsector. In andere gevallen, waarin aandacht moet worden besteed aan het optreden van vermoeidheid, zullen significante vervormingen moeten worden uitgesloten en moet de elasticiteitstheorie als basis worden genomen. Daarbij moet worden gestreefd naar een voldoende grote afstand tot het vloeipunt. De taaiheid van constructiestaal zorgt dan voor wat extra zekerheid.

Wisselende spanning

Koude rek en veroudering: In Fig. 6 werd de spanningsdilatatielijn van een ronde staaf aangebracht, die werd blootgesteld aan afwisselende trek- en drukspanningen. Individuele laadprocessen zijn gemarkeerd met nummers volgens hun volgorde. Elastische dilataties die bij het lossen terugkeren, treden ook op na grote rek in verhouding tot de spanningen. Bij het veranderen van het spanningsteken verdwijnt de P-limiet vrijwel volledig. Daarom komen de elastische eigenschappen van in koude toestand getrokken constructiestaal niet overeen met de oorspronkelijke waarden. Afhankelijk van de eerdere verwerking kunnen er behoorlijk significante verschillen worden aangetoond.

Afb. 6

Daarnaast komen er meer tekenen van veroudering. Deze term omvat alle veranderingen in eigenschappen die in de loop van de tijd plaatsvinden zonder invloed van buitenaf. Rekveroudering kan worden waargenomen na blijvende vervorming door koudrekken. Als permanent uitgerekte proefstukken enige tijd onbelast bij kamertemperatuur worden gelaten, stijgt de treksterkte en, in mindere mate, de scheursterkte boven de oorspronkelijke waarde, terwijl de rek bij breuk afneemt (Fig. 7). Het verouderingsproces duurt dagen, maar wordt teruggebracht tot enkele uren of slechts minuten als het constructiestaal wordt verwarmd tot ongeveer 300 oC. Er moet ook worden vermeld dat veroudering door strekken gelijktijdig optreedt met strekken, als dit bij temperatuur gebeurt. 200 – 400 oC, d.w.z. in het blauwe gloedgebied.

Afb. 7 - a) expansielijn van een dubbel belaste staaf; b) dilatatielijn van een staaf die in koude toestand is uitgerekt

Vervolgactie en hysteresis: Bij een volledig elastisch materiaal bestaat er een ondubbelzinnige onderlinge afhankelijkheid tussen de spannings- en vervormingstoestand, zodat bepaalde spanningen altijd overeenkomen met dezelfde vervormingen en omgekeerd. Bij een gegeven elasticiteitswet zijn de vervormingen niet afhankelijk van de verstreken tijd sinds de belasting werd uitgeoefend, en ook niet van de manier waarop de belasting wordt uitgeoefend. Afwijkingen van puur elastisch gedrag kunnen in twee benaderingsgraden worden beschreven: in het elastische gebied zijn er kleine afwijkingen; ze kunnen in de eerste benadering worden genegeerd. Ze kunnen worden bepaald door nauwkeurige metingen, vooral wanneer de spanning dichter bij de elastische limiet wordt vergeleken. De dilatatie is namelijk niet alleen een functie van de spanning, maar bij een gesloten belastingscyclus en dezelfde spanning is deze tijdens het lossen altijd iets kleiner dan tijdens het laden. Afwijking van volledige elasticiteit, dwz. het verschil tussen overeenkomstige uitzettingen bij dezelfde spanningen wordt elastische hysteresis genoemd. Als de belastingscyclus vaker wordt herhaald, wordt dit verkregen bij niet te hoge spanningen - een gesloten lus van hysteresis of demping. Sl. 8 toont de dempingslussen voor verschillende AC-belastingswaarden. De breedte van de lussen neemt sterk toe met de hoogte van de spanning. Het oppervlak van de lus is evenredig met de vervormingsarbeid, die bij elke cyclus verloren gaat en in warmte wordt omgezet. Bovendien zijn de vervormingen niet alleen variabel met de hoogte van de spanning, maar ook met de tijd; ze zijn afhankelijk van de snelheid en de wijze van belasting. Het deel van de vervorming dat tijdsafhankelijk is, wordt het naeffect genoemd. Hysteresis en nawerking treden gelijktijdig op. Voor constructiestaalsoorten die bij kamertemperatuur in staalconstructies voorkomen, zijn ze in de regel van geen praktisch belang.

Sl. 8

Toepassingsopmerking: Historische materiaalaanduidingen, aannames, diagrammen en procedures in de tekst mogen niet worden gebruikt als vervanging voor huidige normen, specifieke producteigenschappen, rekenmodellen en deskundige verificatie van de totale constructie.