Ważna uwaga profesjonalna: Jest to archiwalny tekst edukacyjny, a nie aktualna specyfikacja projektowa, obliczenia statyczne, dowód nośności lub instrukcja produkcji i montażu. Projekt konstrukcji stalowych musi uwzględniać rzeczywiste oddziaływania, połączenia, stabilność, zmęczenie, ogień, korozję i wszystkie inne istotne warunki, zgodnie z obowiązującymi przepisami i normami, za odpowiedzialność uprawnionego projektanta.
Projektowanie i budowa konstrukcji stalowych nie jest częścią aktualnej oferty publicznej Savo Kusić. Dzisiejsza produkcja koncentruje się na oknach drewnianych, oknach drewniano-aluminiowych i drzwiach na zamówienie.
Konstrukcje stalowe mają wspólną cechę, ponieważ są wykonane głównie ze stali walcowanej na gorąco. Łączenie odbywa się za pomocą nitów, śrub lub spawania. Obejmuje to konstrukcje stalowe mostów, budynków, przemysłu i górnictwa, hydrotechniki, filarów, wież, zbiorników w szerszym znaczeniu oraz dla dźwigów, przemysłu stoczniowego, kotłów itp. Poniższe prezentacje skupiają się na omówieniu podstawowych pojęć.
Materiały
Głównym materiałem konstrukcyjnym konstrukcji stalowych są profile walcowane ze stali konstrukcyjnej S235, S275, S355, S420, S450. W zależności od normy wyróżnia się kilka różnych rodzajów stali konstrukcyjnej, gdzie liczba w klasyfikacji zwykle oznacza wytrzymałość stali na rozciąganie. Istnieje kilka symboli literowych, gdzie w tym przypadku S oznacza stal konstrukcyjną. Najczęściej stosowane formy to S, B (stal betonowa, zbrojenie) i Y (stal sprężająca).
Podpory walcowane ze stali
Istnieje szeroka gama stalowych podpór profilowanych, a każdy z nich ma swój własny cel, zalety i wady.
- Profile U
- Profile I z wąskimi nogami (IPE, IPN)
- Profile I z szerokimi nogami (HEA, HEB, HEM, HD)
- Profile/puszki puste (okrągłe, kwadratowe, prostokątne)
- Arkusze
- Wyroby formowane na zimno (otrzymywane przez walcowanie na zimno płaskiej taśmy i skręcanie płaskiej taśmy)
Każdy z tych profili różni się kształtem, wymiarami, przeznaczeniem itp. Przykładowo istnieje ponad 20 różnych profili IPN, które różnią się wymiarami; większe profile mogą lepiej wytrzymać wyboczenie (zginanie i boczno-skrętne), ugięcia itp.
Wyróżnia się cztery klasy stali w zależności od tego, czy osiągają granicę plastyczności przy zwiększeniu naprężenia, czy analiza jest plastyczna czy sprężysta, jaka jest nośność przekroju itp., gdzie pierwsza klasa jest najlepsza, a czwarta najgorsza. Więcej o strukturze i wytrzymałości stali można przeczytać tutaj.
Wyrównanie napięcia i obciążalność przy stałym obciążeniu
Nośność. Wymiary konstrukcji stalowych dobierane są w taki sposób, aby wykluczyć istotne odkształcenia trwałe. Nośność jednak w wielu przypadkach nie ulega wyczerpaniu w momencie, gdy najwyższe naprężenie porównawcze osiąga granicę plastyczności – wówczas odkształcenia narastają znacznie szybciej niż naprężenia. W przypadku stali konstrukcyjnej tę samą zależność, co w przypadku plastyczności, można przyjąć jako granicę prawa Hooke’a dla ogólnych warunków naprężenia. W przypadku jednorodnych stanów naprężeń, które są równe w każdym miejscu, po przekroczeniu granicy proporcjonalności nie zachodzą żadne zmiany, z tym wyjątkiem, że odkształcenia całkowite rosną szybciej niż naprężenie.
Wyrównanie naprężeń podczas zginania. W przypadku zginania belki obowiązuje prostoliniowy rozkład naprężeń zgodnie z hipotezą Naviera, dopóki naprężenie krawędziowe σ=M/W nie przekroczy granicy proporcjonalności. Rozszerzenia wzdłużne ε = ε(σ). Dotyczy to przynajmniej małych zakrętów. Naprężenia wyższe niż naprężenie proporcjonalności mogą rosnąć jedynie wolniej niż rozszerzenia ε. Na ryc. 1 pokazuje rozkład naprężeń zginających dla danego schematu działania i dla różnych wartości wydłużenia krawędzi. Obszar proporcjonalności (zaznaczony kółkiem na wszystkich liniach napięcia) staje się zatem coraz mniejszy wraz ze wzrostem dylatacji krawędzi. Napięcie krawędziowe jest najpierw ograniczone przez σF. Dopiero po bardzo znacznych odkształceniach maksymalne naprężenie wzrasta powyżej σF, tak że widoczny jest wpływ zbrojenia stalowego konstrukcyjnego (przypadek 5).
Rys. 1 - Wyrównanie napięcia zginania
Wyrównanie wartości szczytowych naprężeń. Rozkład naprężeń podłużnych w przekroju przez środek otworu w jednym naprężonym pręcie wierconym odpowiada w przybliżeniu linii 2 na rys. 2. 2. Szczyt napięcia σmax zależy od stosunku d/b. Najczęściej kształtuje się w okolicach σmax = 2-3 σm, gdzie σm = S/FM oznacza średnią wartość naprężenia rozciągającego w przekroju osłabionym przez otwór w FM. Śl. 2 obowiązuje do momentu, gdy stan napięcia przekroczy granicę P. Przy większych obciążeniach, aby uzyskać określoną dylatację, potrzebne są tylko w pobliżu otworu niższe napięcia niż wynika to z prawa liniowego. W punktach najbardziej obciążonych naprężenia nie będą już rosnąć proporcjonalnie do S, ale raczej wolniej. Na granicy uzyskany zostanie w przybliżeniu równomierny rozkład naprężeń podłużnych σm = σf na całym przekroju 2-2. Pominięto naprężenia ścinające i poprzeczne. Występowanie wyrównywania naprężeń podczas powolnego wzrostu siły S w pręcie dowodzi, że uzasadniona jest stosowana w konstrukcjach stalowych metoda obciążenia statycznego, polegająca na ignorowaniu szczytów naprężeń podczas wymiarowania i porównywaniu jedynie naprężenia średniego σm=S/Fm w osłabionym przekroju Fm z wartością dopuszczalną.
Rys. 2
Procedura wymiarowania według nośności
Wraz ze wzrostem obciążenia następuje wyrównanie napięcia w sekcji. W ten sposób naprężenia są przegrupowywane z najbardziej obciążonych części przekroju do mniej obciążonych. Dopóki odkształcenia nie są na tyle duże, aby trzeba je było uwzględniać przy ustalaniu warunków równowagi, proces ten nie może zmienić nic na wielkość wpływu S, M itp. dla konstrukcji wyznaczanych statycznie.
Podpory ciągłe i ramowe: przy założeniu prawa Hooke’a linia momentu pokazana pod a jest uzyskiwana dla jednej ciągłej podpory o stałym przekroju (rys. 3). Naprężenia zginające są proporcjonalne do momentów zginających M. Jeżeli oba obciążenia rosną równomiernie, granica P zostanie najpierw przekroczona na środkowej podporze B. Granica łożyska zostaje osiągnięta, gdy osiągnięty zostanie moment graniczny MDF również na polu. W przypadku belki zaciśniętej po obu stronach o stałym przekroju symetrycznym siłą skupioną (rys. 4) od początku zachodzi wyrównanie momentów. Po przekroczeniu wartości granicznej P nie następuje zmiana rozkładu momentu. I odwrotnie, w przypadku równomiernie rozłożonego obciążenia (rys. 5) wyrównanie momentów prowadzi do zmniejszenia momentu ściskającego z -2/3 Mo do -1/2 Mo.
Rys. 4
Rys. 3 i tym podobne. 5 odpowiednio: momenty zginające: a) przed, b) stan graniczny po przegrupowaniu sił; a) przed, b) po wyrównaniu momentu
Konstrukcje kratowe: przy kratownicach wewnętrznie statycznie niewyznaczalnych zachodzą podobne zależności jak przy konstrukcjach ramowych. Naprężenia wtórne, które są związane z węzłami sztywnymi przy zginaniu, można pominąć w pierwszym przybliżeniu przy ocenie nośności. Kształtowniki plastyfikowane zachowują się podobnie jak przeguby, dzięki czemu działanie statyczne dźwigara pod obciążeniem, jakie może jeszcze przenieść, jest bliższe idealnej kratownicy z przegubami w węzłach. W przypadku konstrukcji obciążonych często powtarzającymi się obciążeniami, w których należy uwzględniać zjawiska wytrzymałości zmęczeniowej, istnieją zatem duże wątpliwości, czy przy wymiarowaniu uwzględniane jest wyrównanie sił. Wręcz przeciwnie, praktyczne znaczenie ma wnioskowanie o wpływie przemieszczenia podpór. Ponieważ wytrzymałość robocza poszczególnych elementów konstrukcyjnych zależy wyłącznie od granic naprężeń, a nie od wielkości całkowitych odkształceń, przemieszczenia podpór nie mają wpływu na nośność.
Obciążenie przemienne: rzadko realizuje się założenie o stałym przypadku obciążenia. W przypadku dźwigarów mostowych występują zmienne stany obciążenia. Założenia dotyczące rozkładu sił i naprężeń w poszczególnych elementach konstrukcyjnych, które upraszczają, są powszechne w praktycznej pracy z konstrukcjami stalowymi, zgodnie z poprzednim mają one uzasadnienie w zwykłych okolicznościach. Jest to szczególnie prawdziwe w przypadku zaniedbywania lokalnych szczytów napięcia. Nie zaleca się stosowania metody wymiarowania według nośności przy (dynamicznym) obciążeniu zmęczeniowym. Zatem procedura wymiarowania według nośności ogranicza się do przypadków obciążeń głównie statycznych, szczególnie w przypadku konstrukcji w budownictwie. W innych przypadkach, w których należy zwrócić uwagę na pojawienie się zmęczenia, należy wykluczyć istotne odkształcenia i przyjąć za podstawę teorię sprężystości. Należy przy tym dążyć do zachowania odpowiednio dużej odległości od granicy plastyczności. Wytrzymałość stali konstrukcyjnej zapewnia dodatkowe bezpieczeństwo.
Naprężenie przemienne
Rozciąganie na zimno i starzenie: Na rys. Zastosowano 6 linię naprężenia-rozciągnięcia pręta okrągłego, który został poddany działaniu przemiennych naprężeń rozciągających i ściskających. Poszczególne procesy załadunkowe oznaczone są numerami zgodnie z ich kolejnością. Dylatacje sprężyste, które powracają po odciążeniu, występują również po dużych rozciągnięciach, proporcjonalnie do naprężeń. Przy zmianie znaku napięcia granica P prawie całkowicie zanika. Dlatego właściwości sprężyste stali konstrukcyjnej ciągnionej na zimno nie są zgodne z wartościami pierwotnymi. W zależności od wcześniejszej obróbki można wykazać dość znaczne różnice.
Rys. 6
Wraz z tym pojawia się więcej oznak starzenia. Termin ten obejmuje wszelkie zmiany właściwości, które zachodzą w czasie bez wpływu zewnętrznego. Starzenie się przez rozciąganie można zaobserwować po trwałym odkształceniu w wyniku rozciągania na zimno. Jeśli trwale rozciągnięte próbki pozostawi się na jakiś czas bez obciążenia w temperaturze pokojowej, wytrzymałość na rozciąganie i, w mniejszym stopniu, wytrzymałość na rozdarcie wzrasta powyżej wartości początkowej, natomiast wydłużenie przy zerwaniu maleje (rys. 7). Proces starzenia trwa kilka dni, ale ulega skróceniu do kilku godzin lub kilku minut, jeśli stal konstrukcyjną nagrzeje się do temperatury około 300 oC. Należy również wspomnieć, że starzenie rozciągające następuje jednocześnie z rozciąganiem, jeśli zachodzi to w temp. 200 – 400 oC, czyli w obszarze niebieskiej poświaty.
Rys. 7 - a) linia ekspansji pręta podwójnie obciążonego; b) linia dylatacji pręta rozciągniętego w stanie zimnym
Następne oddziaływanie i histereza: W materiale całkowicie elastycznym istnieje jednoznaczna wzajemna zależność pomiędzy naprężeniem i stanem odkształcenia, tak że pewnym naprężeniom zawsze odpowiadają te same odkształcenia i odwrotnie. Przy danym prawie sprężystości odkształcenia nie zależą od czasu, jaki upłynął od przyłożenia obciążenia, a także od sposobu przyłożenia obciążenia. Odchylenia od zachowania czysto sprężystego można opisać w dwóch stopniach przybliżenia: w obszarze sprężystym występują małe odchylenia; można je pominąć w pierwszym przybliżeniu. Można je określić na podstawie dokładnych pomiarów, zwłaszcza porównując naprężenia bliżej granicy sprężystości. Mianowicie, dylatacja nie jest tylko funkcją napięcia, ale przy zamkniętym cyklu obciążenia i tym samym napięciu jest zawsze nieco mniejsza podczas rozładunku niż podczas ładowania. Odchylenie od pełnej elastyczności, tj. różnica między odpowiednimi rozszerzeniami przy tych samych naprężeniach nazywana jest histerezą sprężystą. Jeśli cykl obciążenia powtarza się częściej, uzyskuje się to przy niezbyt wysokich napięciach - zamkniętą pętlę histerezy lub tłumienia. Śl. 8 pokazuje pętle tłumiące dla różnych wartości obciążenia AC. Szerokość pętli znacznie wzrasta wraz z wysokością napięcia. Powierzchnia pętli jest proporcjonalna do pracy odkształcenia, która jest tracona w każdym cyklu i zamieniana na ciepło. Ponadto odkształcenia są zmienne nie tylko w zależności od wysokości napięcia, ale także w czasie, zależą od prędkości i sposobu obciążania. Część odkształcenia, która zależy od czasu, nazywa się efektem ubocznym. Histereza i następstwo występują jednocześnie. Z reguły nie mają one praktycznego znaczenia dla tych gatunków stali konstrukcyjnych, które występują w konstrukcjach stalowych w temperaturze pokojowej.
Śl. 8
Nota aplikacyjna: Historyczne oznaczenia materiałów, założenia, schematy i procedury zawarte w tekście nie powinny być stosowane jako substytut aktualnych norm, specyficznych cech produktu, modelu obliczeniowego i weryfikacji eksperckiej całej konstrukcji.