Nośność belki jest ograniczona w prawie wszystkich przypadkach wyboczeniem ściskanego pasma. Zjawisko to występuje dopiero wtedy, gdy osiągnięta zostanie granica plastyczności po wyrównaniu naprężeń na całym ściskanym środniku. Tylko przy silnych podparciach bocznych można podnieść dopuszczalne naprężenie krawędziowe do zakresu umocnienia stali budowlanej. Przy ocenie nośności należy uwzględniać rzeczywisty rozkład naprężeń. Przy założeniu liniowego rozkładu naprężeń nośność byłaby zaniżona. Zjawiska niestateczności należy badać szczególnie dokładnie.
Odjęcie otworów w elementach nośnych obciążonych na zginanie
Po stronie rozciąganej belki działa osłabienie przekroju jak w prętach rozciąganych (rozerwanie pasa rozciąganego w osłabionym przekroju). Do odrzucania otworów w tym sensie obowiązują te same zasady co w przypadku pręta rozciąganego.
Ponieważ otwory wypełnione nitami po stronie ściskanej belki bardzo niewiele wpływają na rozkład naprężeń i odkształceń, a nośność jest przeważnie ograniczona przez boczne wyboczenie pasa ściskanego, wielkość osłabienia przekroju w belkach o przekrojach symetrycznych nie wpływa istotnie na obciążenie nośne. Dlatego już F. Hartmann postawił pytanie, czy w belkach symetrycznych w ogóle trzeba uwzględniać osłabienie przez otwory. W przekrojach niesymetrycznych (strona ściskana jest mocniejsza) odjęcie otworów po stronie rozciąganej belki może stać się decydujące dla nośności. Przy często powtarzanym obciążeniu otwory mają znaczny wpływ, nawet gdy leżą w większej odległości od włókien skrajnych.
Obecnie przy obliczaniu nośności przekroju na zginanie stosuje się przekrój brutto i netto (obok innych miarodajnych postaci zniszczenia). Zniszczenie według przekroju brutto następuje w części przekroju, która nie jest osłabiona otworami. Zniszczenie według przekroju netto następuje w przekroju osłabionym otworami, a uwzględniana powierzchnia jest powierzchnią brutto pomniejszoną o powierzchnię wszystkich otworów.
Kołki w szyjce i w głowicy
Przy zginaniu, obok naprężeń normalnych, występują także naprężenia ścinające, które w belkach z równoległymi pasami są proporcjonalne do siły poprzecznej Q. W przekrojach złożonych naprężenia ścinające w powierzchniach styku między poszczególnymi profilami walcowanymi przenoszą nity łączące je. Rozkład sił ścinających T w środniku ma przebieg paraboliczny, w pasach jest prawie liniowy. W belkach z ciężkimi pasami T w środniku niewiele różni się od wartości średniej Tm, która często wystarcza do wstępnej oceny.
Rys. 1
Nity w głowicy (rys. 1b) mają wspólnie przejąć siłę sworznia TK < TH. Siła sworznia między poszczególnymi lamelami pasa jest jeszcze mniejsza i w przypadku pokazanym na rys. 1c rozkłada się na większą liczbę nitów.
Ciąg dalszy nośnika
Podłużne przedłużenie blachy pionowej jest potrzebne, gdy wysokość blachy jest większa od szerokości dostępnych arkuszy blachy. Może być ono również konieczne ze względu na wykonanie i transport. Łączniki i nity w podłużnym przedłużeniu jednego nośnika powinny przenieść tę samą siłę TL, jaką miałaby blacha nieprzedłużona w podłużnym złączu. Ponieważ osłabienia otworami w łączniku są takie same jak w blasze pionowej, grubość łącznika musi być większa lub równa grubości żebra.
Rys. 2 - Podłużne zakończenie blachy pionowej
Połączenie poprzeczne obciążone na zginanie może być na różne sposoby osłonięte podkładkami. Rys. 3 przedstawia kilka możliwości połączenia warsztatowego, w którym przedłużony jest tylko pionowy pas blachy. Jeśli podkładki są tylko między kątownikami pasowymi (rys. 3a), pozostają nieosłonięte pasma pionowej blachy pod kątownikami pasowymi. Wówczas kątowniki i nity w obszarze połączenia pionowej blachy są znacznie silniej obciążone, dlatego ten rodzaj połączeń należy ograniczyć do mniej istotnych połączeń o małych siłach. Zawsze należy dawać pierwszeństwo połączeniu całkowicie osłoniętemu. Specjalne podkładki na pionowych ramionach kątowników przejmują naprężenia podłużne tego pasa, lecz tylko w niewielkim stopniu uczestniczą w przenoszeniu siły poprzecznej. Pewną poprawę w tym zakresie przynosi rys. 3c. Przy dużych siłach należy dążyć do podkładek na całej wysokości pionowej blachy (rys. 3d), co zakłada przerwanie kątowników pasowych. Podkładki otrzymują grubość ramienia kątownika, a przy dużych grubościach kątowników stosuje się podkładki wyrównujące, aby oszczędzić na zbędnej grubości podkładki.
Rys. 3 - Poprzeczne przedłużenie (warsztatowe) pionowej blachy
Przedłużenie pionowej blachy przy obciążeniu siłą poprzeczną: Belka w miejscu przedłużenia jest obciążona tylko siłą Q (M = 0). Dla przedłużenia z jednakowymi odstępami nitów (rys. 4) należy przyjąć, że siły w nitach NiQ w przybliżeniu odpowiadają odpowiedniemu elementowi powierzchni e*t złącza przedłużenia, tzn. że siły w nitach rozkładają się tak jak naprężenia ścinające na wysokości belki, NiQ = e*t*τi = e*Ti. Mimo to przy wymiarowaniu przyjmuje się równomierny rozkład na wszystkie n nity NiQ = Q/n.
Rys. 4 - Przedłużenie blachy pionowej z rozkładem siły poprzecznej
Rys. 5 przedstawia warsztatowe_ łączenie pionowej blachy (kątowniki wzmacniające i lamele są łączone w innym miejscu).
Rys. 5
Zginanie z siłą normalną: Belki obciążone jednocześnie momentami zginającymi i siłami normalnymi wymiaruje się według tych samych zasad i przy założeniu liniowego rozkładu naprężeń. Przy pełnym pominięciu nitów w obu pasach przekrój użyteczny i położenie linii zerowej nie zależą od przypadku obciążenia, tak że naprężenia od M i N można po prostu zsumować. Obciążenie nitów w przedłużeniu otrzymuje się przez superpozycję sił z częściowych przypadków obciążenia M, wzgl. N.
Oparcie i połączenie nośnika
Tutaj będzie omówione tylko najbardziej powszechne spośród licznych rozwiązań. Przy ocenie zawsze należy brać pod uwagę siły dodatkowe, które wynikają z odstępstw od mniej lub bardziej idealizowanych obliczeń wytrzymałościowych.
Proste oparcie jednego dźwigara na górnym pasie innego elementu budowlanego wchodzi w grę wtedy, gdy dostępna jest duża wysokość konstrukcyjna. Normalnym przypadkiem jest sztywne połączenie nitami lub śrubami. Na rys. 6 pokazano normalne oparcie ciągłych I-kleszczyn w budownictwie, które również pozwala uniknąć wiercenia w wąskich środnikach I-kształtowników. Dźwigary należy w danym przypadku zabezpieczyć przed przewróceniem, jak również przed siłami poprzecznymi (rys. 7 i 8). W budownictwie mostowym dźwigary często zestawia się parami (rys. 9); nieruchome oparcie dźwigara podłużnego na dźwigarze poprzecznym (rys. 10). Przy większych siłach podporowych dźwigary należy usztywnić dopasowanymi kątownikami lub przyspawanymi profilami (rys. 8 do 10). W przypadku dźwigarów złożonych obciążenie należy wprowadzić do środnika.
Rys. 6 - Mocowanie krokwi
Rys. 7 i 8
Rys. 9 i 10
Połączenie środnika: Na rys. 11 i 12 przedstawiono połączenia belek I, stosowane w budownictwie jako zwykłe połączenia. Wycięcie otrzymuje duże zaokrąglenie, aby uniknąć pękania środnika dźwigara. Sprężyste utwierdzenie przy połączeniu środnika powoduje pewien wzrost nośności. Opisane odkształcenia są wprawdzie nieszkodliwe przy przeważnie spokojnym obciążeniu, jak np. w starszych mostach.
Rys. 11. - Połączenia normalne dwuteownika z prostopadłym przekrojem końcowym
Rys. 12 - Zwykłe połączenia z przyciętymi końcami belki I
Połączenia sztywne na zginanie wykonuje się, gdy potrzebne jest połączenie bez zmiany kąta (ciągłe podpory, sztywne naroża ram) albo gdy istnieje niebezpieczeństwo zniszczenia wskutek zmęczenia przy obciążeniu zmiennym, zwłaszcza w mostach kolejowych. Można stosować blachy dla ciągłości, połączenia sztywne na zginanie, naroża sztywne na zginanie, naroża ram.
- Łączniki ciągłości – Jeżeli trzeba połączyć podpory leżące w tej samej płaszczyźnie, wówczas oba górne pasy łączy się blachą albo łącznikiem ciągłości. W ten sposób nity połączenia są wolne od sił rozciągających, a duże odkształcenia zostają uniknięte.
Rys. 13 - Połączenie z lamelą dla ciągłości
Rys. 14 - Połączenie podłużnych dźwigarów a) mostu drogowego; b) mostu kolejowego
- Sztywne na zginanie połączenia – Tego rodzaju połączenie spotykamy przy pełnych wspornikach kładek mostów drogowych. Przy mniejszych momentach ich pionowa blacha jest połączona tylko dwusiłowo między kątownikami usztywniającymi głównej belki. Wprowadzony moment rozkłada się poprzez usztywnienia na całą wysokość głównej belki, tzn. wprowadza się go do jej pasów jako układ sił.
Rys. 15 i 16
- Kąty sztywne na zginanie – Kąty sztywne na zginanie między słupami i podciągami w budownictwie należy tak konstruować, aby kąt był niezmienny i aby nie wystąpiły żadne lokalne przekroczenia naprężeń. Niezawodne połączenia w narożach powstają np. według rys. 16, gdy stosuje się blachy skrzydłowe, albo według rys. 100, gdy moment utwierdzenia w pasach słupa przejmuje się jako układ sił.
- Naroża ram – W ramach wielobocznych przedłużenie można wykonać w punkcie załamania, jeśli różnica kąta jest niewielka; połączone pręty obejmuje się opaskami jako pręty rozciągane i ściskane. Siły obrotowe są skupione w miejscu załamania i muszą zostać przejęte przez usztywnienia. Na rys. 101 należy zwrócić uwagę na różnicę w obejmowaniu przedłużenia i usztywnieniu, zależnie od kierunku momentu zginającego i sił odchylających. W przypadku dużych sił i znacznej różnicy kąta unika się sytuacji, w której przedłużenie znajdzie się w silnie zakrzywionej części ramy. Przedłużenia przy narożach ram pozwalają uzyskać lepszą formę konstrukcyjną i ułatwiają wykonanie. Przykłady z nitowanymi uniwersalnymi przedłużeniami po obu stronach punktu załamania pokazują rys. 102a oraz rys. 102b, na którym naroże składa się z części spawanej. Rys. 103 pokazuje sztywne na zginanie połączenie słupka ramy z ciągłą poprzeczką.
Rys. 17a
Rys. 17b
Połączenia ukośne: W dotychczas rozważanych połączeniach żebra były ustawione wzajemnie prostopadle. Jeżeli jednak kąt nie jest prosty, wtedy kątowniki (rys. 18) są rozginane; przy bardzo ostrych kątach stosuje się podkładki klinowe. Stosować ściągi dla ciągłości i elementy podporowe w danym przypadku tak jak przy połączeniach prostych. Zagięte blachy połączeniowe (rys. 19) są połączone z dużym mimośrodem i znacznymi siłami dodatkowymi. Wykonanie połączeń ukośnych ułatwia się, gdy stosuje się przyspawane płytki łączące (rys. 20).
Rys. 18
Rys. 19
Rys. 20