Viktig faglig merknad: Dette er en arkiveringsundervisningstekst, ikke en gjeldende designspesifikasjon, statisk beregning, bevis på lastekapasitet eller produksjons- og monteringsinstruksjoner. Utformingen av stålkonstruksjoner må inkludere faktiske handlinger, koblinger, stabilitet, utmatting, brann, korrosjon og alle andre relevante forhold i henhold til gjeldende forskrifter og standarder, med ansvar av den autoriserte konstruktøren.
Design og konstruksjon av stålkonstruksjoner er ikke en del av det nåværende offentlige tilbudet til Savo Kusić. Dagens produksjonsfokus består av trevinduer, tre-aluminiumsvinduer og tilpassede dører.
Stålkonstruksjoner har et fellestrekk ved at de stort sett består av varmvalset stål. Sammenføyning gjøres ved hjelp av nagler, skruer eller sveising. Dette inkluderer stålkonstruksjoner for broer, bygninger, industri og gruvedrift, vannteknikk, pilarer, tårn, tanker, i bredere forstand og for kraner, skipsbygging, kjeler osv. Fokus i de følgende presentasjonene er behandling av grunnleggende begreper.
Materialer
Hovedkonstruksjonsmaterialet til stålkonstruksjoner er valsede profiler fra konstruksjonskvalitetsstål S235, S275, S355, S420, S450. Avhengig av standard finnes det flere ulike typer konstruksjonsstål, hvor tallet i klassifiseringen vanligvis angir stålets strekkfasthet. Det er flere bokstavsymboler, hvor S-en i dette tilfellet står for konstruksjonsstål. De vanligste formene som brukes er S, B (betongstål, armering) og Y (spennstål).
Stålvalsede støtter
Det finnes et bredt utvalg av stålprofilerte støtter og hver har sin egen hensikt, fordeler og ulemper.
- U-profiler
- I-profiler med smale ben (IPE, IPN)
- I-profiler med brede ben (HEA, HEB, HEM, HD)
- Hule profiler/bokser (runde, firkantede, rektangulære)
- Ark
- Kaldformede produkter (oppnådd ved å kaldrulle en flat remse og vri en flat remse)
Hver av disse profilene er forskjellige i form, dimensjoner, formål osv. For eksempel er det over 20 forskjellige IPN-profiler, som er forskjellige i dimensjoner; større profiler tåler bedre knekking (bøye- og lateral-torsjon), nedbøyninger osv.
Det er fire klasser stål avhengig av om de når flytegrensen når spenningen økes, om analysen er plastisk eller elastisk, hva er bæreevnen til tverrsnittet osv. hvor første klasse er best og fjerde er dårligst. Mer om strukturen og styrken til stål kan leses her.
Spenningsutjevning og bæreevne ved jevn belastning
Bæreevne. Dimensjonene til stålkonstruksjoner er bestemt slik at betydelige permanente deformasjoner utelukkes. Bæreevnen er imidlertid i mange tilfeller ikke oppbrukt på noen måte når den høyeste komparative spenningen når flytegrensen - da vokser deformasjonene mye raskere enn spenningene. For konstruksjonsstål kan samme avhengighet som ved ettergivelse tas som grensen for Hookes lov for generelle spenningsforhold. Ved homogene spenningstilstander, som er like på hvert sted, skjer det ingen endringer når proporsjonalitetsgrensen overskrides, bortsett fra at de totale deformasjonene vokser raskere enn spenningen.
Utjevning av spenning under bøyning. Ved bøyning av en bjelke gjelder den rettlinjede spenningsfordelingen i henhold til Navier-hypotesen, inntil kantspenningen σ=M/W ikke overskrider proporsjonalitetsgrensen. Lengdeutvidelser ε = ε(σ). Dette gjelder i hvert fall for små bøyninger. Spenninger som er høyere enn proporsjonalitetsspenningen kan bare vokse saktere enn utvidelsene ε. I fig. 1 viser bøyespenningsfordelingen for det gitte driftsdiagrammet og for ulike verdier for kantutvidelse. Proporsjonalitetsområdet (merket med en sirkel på alle spenningslinjer) blir derfor mindre og mindre med økende kantdilatasjon. Kantspenningen begrenses først av σF. Først etter svært betydelige deformasjoner stiger den maksimale spenningen over σF, slik at påvirkningen fra konstruksjonsstålarmeringen blir synlig (tilfelle 5).
Fig. 1 - Bøyespenningsutjevning
Utjevning av spenningstopper. Fordelingen av lengdespenninger over snittet gjennom midten av hullet i en enkelt oppspent boret stang tilsvarer omtrent linjen2i fig.2. Spenningstoppen σmax avhenger av d/b-forholdet. Det er stort sett rundt σmax =2-3σm, der σm = S/FM angir gjennomsnittsverdien av strekkspenningen i seksjonen som er svekket av hullet ved FM. Sl.2gyldig til spenningstilstanden overstiger P-grensen. Ved høyere belastninger, for å oppnå en viss dilatasjon, trengs lavere spenninger bare nær hullet enn i henhold til rettlinjeloven. På de mest belastede punktene vil spenningene da ikke lenger øke proporsjonalt med S, men heller saktere. Ved grensen vil den fås over hele strekningen2-2en tilnærmet jevn fordeling av lengdespenninger σm = σf. Skjær- og tverrspenninger ble neglisjert. Forekomstene av spenningsutjevning under den langsomme økningen av kraften S i stangen beviser at den vanlige metoden for stålkonstruksjoner under påvirkning av en statisk last er berettiget, å ignorere spenningstoppene under dimensjonering og å sammenligne kun den gjennomsnittlige spenningen σm=S/Fm i den svekkede seksjonen Fm med den tillatte verdien.
Sl.2
Dimensjoneringsprosedyre i henhold til lastekapasitet
Når belastningen øker, skjer det spenningsutjevning i seksjonen. På den måten omgrupperes spenningene fra de mest belastede delene av strekningen til de mindre belastede. Så lenge deformasjonene ikke er så store at de må tas i betraktning ved innstilling av likevektsbetingelsene, kan ikke denne prosessen endre noe på størrelsen på påvirkningen av S, M osv. med statisk bestemte strukturer.
Kontinuerlige og rammestøtter: under antakelsen av Hookes lov, oppnås den for en kontinuerlig støtte med konstant seksjon (fig.3) momentlinje vist under a. Bøyespenningene er proporsjonale med bøyemomentene M. Dersom begge lastene øker likt vil P-grensen først overskrides ved midtstøtte B. Bæregrensen nås når grensemomentet MDF nås også i felt. I tilfelle av en bjelke klemt på begge sider av en konstant symmetrisk seksjon med en konsentrert kraft (fig.4) momentutjevning eksisterer fra begynnelsen. Når P-grensen overskrides, er det ingen endring i momentfordelingen. Tvert imot, i tilfelle av en likt fordelt last (fig.5) utjevningen av momentene fører til en reduksjon av klemmomentet med -2/3 Mom på -1/2 Mo.
Sl.4
Sl.3osv.5, henholdsvis: bøyemomenter: a) før, b) grensetilstand etter kraftomgruppering; a) før, b) etter utjevning av momentum
Gitterkonstruksjoner: med innvendig statisk ubestemte takstoler er det tilsvarende avhengigheter som med rammekonstruksjoner. Sekundærspenningene, som er relatert til knutepunktene som er stive i bøyning, kan neglisjeres i den første tilnærmingen ved evaluering av lastkapasiteten. Plastiserte seksjoner fungerer på samme måte som skjøter, slik at den statiske virkningen av bjelken under den ultimate belastningen den fortsatt kan bære, er nærmere den til et ideelt fagverk med skjøter i nodene. Ved konstruksjoner med hyppig gjentatte belastninger, hvor utmattingsfasthetsfenomener bør tas i betraktning, er det derfor betydelig tvil om å ta hensyn til kraftutjevning ved dimensjonering. Tvert imot er det av praktisk betydning å konkludere med påvirkningen av forskyvningen av støtter. Siden arbeidsstyrken til individuelle konstruksjonselementer kun avhenger av spenningsgrensene, og ikke av størrelsen på de totale deformasjonene, har forskyvningene av støttene ingen innvirkning på bæreevnen.
Vekselende belastning: antakelsen om et tilfelle med konstant belastning blir sjelden realisert. Med brodragere er det variable lasttilstander. Forutsetninger om krefter og spenningsfordeling i individuelle konstruksjonselementer, som forenkler, er vanlige i praktisk arbeid med stålkonstruksjoner, ifølge den forrige er de begrunnet under vanlige omstendigheter. Dette gjelder spesielt for å neglisjere lokale spenningstopper. Det kan ikke anbefales å anvende metoden for dimensjonering etter lastkapasitet under (dynamisk) utmattingsbelastning. Dermed er dimensjoneringsprosedyren i henhold til bæreevne begrenset til ved overveiende statiske laster, spesielt til konstruksjoner i byggebransjen. I andre tilfeller, der det bør tas hensyn til utseendet av tretthet, må betydelige deformasjoner utelukkes og elastisitetsteorien legges til grunn. Ved å gjøre det bør man tilstrebe tilstrekkelig stor avstand fra flytepunktet. Seigheten til konstruksjonsstål gir da en viss ekstra sikkerhet.
Vekslende stress
Kald strekking og aldring: I fig. 6 spenningsutvidelseslinjen til en rund stang, som ble utsatt for vekslende strekk- og trykkspenninger, ble påført. Individuelle lasteprosesser er merket med tall i henhold til rekkefølgen. Elastiske dilatasjoner som kommer tilbake ved lossing oppstår også etter store strekk i forhold til påkjenningene. Ved endring av spenningstegnet forsvinner P-grensen nesten helt. Derfor stemmer ikke de elastiske egenskapene til konstruksjonsstål trukket i kald tilstand med de opprinnelige verdiene. Avhengig av forrige behandling, kan ganske betydelige forskjeller vises.
Fig. 6
Sammen med det kommer flere tegn på aldring. Dette begrepet omfatter alle endringer i egenskaper som skjer over tid uten ytre påvirkning. Strekkaldring kan observeres etter permanent deformasjon ved kald strekking. Hvis permanent strakte testprøver blir stående i noen tid uten belastning ved romtemperatur, stiger strekkstyrken og i mindre grad rivestyrken over den opprinnelige verdien, mens bruddforlengelsen avtar (fig. 7). Aldringsprosessen varer i flere dager, men reduseres til noen timer eller bare minutter hvis konstruksjonsstålet varmes opp til ca. 300 oC. Det bør også nevnes at strekkaldring skjer samtidig med tøying, dersom dette skjer ved temp. 200 – 400 oC, dvs. i det blå glødeområdet.
Fig. 7 - a) ekspansjonslinje for en dobbeltlastet stang; b) utvidelseslinje til en stang strukket i kald tilstand
Etterfølgende handling og hysterese: I et helt elastisk materiale er det en entydig gjensidig avhengighet mellom spennings- og deformasjonstilstand, slik at visse spenninger alltid tilsvarer de samme deformasjonene og omvendt. Med en gitt elastisitetslov avhenger ikke deformasjonene av tiden som har gått siden belastningen ble påført, og heller ikke av måten belastningen påføres på. Avvik fra ren elastisk oppførsel kan beskrives i to grader av tilnærming: i det elastiske området er det små avvik; de kan ignoreres i den første tilnærmingen. De kan bestemmes ved nøyaktige målinger, spesielt når man sammenligner spenningen nærmere den elastiske grensen. Dilatasjon er nemlig ikke bare en funksjon av spenning, men med en lukket belastningssyklus og samme spenning er den alltid litt mindre under lossing enn under lasting. Avvik fra fullstendig elastisitet, dvs. forskjellen mellom tilsvarende ekspansjoner ved samme spenninger kalles elastisk hysterese. Hvis belastningssyklusen gjentas oftere, oppnås dette ved ikke for høye spenninger - en lukket sløyfe av hysterese eller demping. Sl. 8 viser dempingsløkkene for ulike AC-lastverdier. Bredden på løkkene øker kraftig med høyden på spenningen. Sløyfens areal er proporsjonal med deformasjonsarbeidet, som går tapt ved hver syklus og omdannes til varme. Deformasjonene er også variable ikke bare med høyden på spenningen, men også med tiden, de avhenger av hastigheten og belastningsmetoden. Den delen av deformasjonen, som avhenger av tid, kalles ettervirkningen. Hysterese og ettervirkning forekommer samtidig. Som regel har de ingen praktisk betydning for de typer konstruksjonsstål som forekommer i stålkonstruksjoner ved romtemperatur.
Sl. 8
Søknadsmerknad: Historiske materialbetegnelser, forutsetninger, diagrammer og prosedyrer i teksten skal ikke brukes som erstatning for gjeldende standarder, spesifikke produktegenskaper, beregningsmodell og ekspertverifisering av den samlede konstruksjonen.