Dôležité odborné upozornenie: Ide o archívny edukačný text, nie aktuálnu konštrukčnú špecifikáciu, statický výpočet, doklad o nosnosti ani návod na výrobu a montáž. Návrh oceľových konštrukcií musí obsahovať skutočné zaťaženia, spojenia, stabilitu, únavu, požiar, koróziu a všetky ostatné relevantné podmienky podľa platných predpisov a noriem, za ktoré zodpovedá autorizovaný projektant.
Projektovanie a výstavba oceľových konštrukcií nie je súčasťou aktuálnej verejnej ponuky Savo Kusić. Dnešné výrobné zameranie pozostáva z drevené okná, drevo-hliníkové okná a zakázkové dvere.
Oceľové konštrukcie majú spoločnú vlastnosť v tom, že sú väčšinou vyrobené z ocele valcovanej za tepla. Spájanie sa vykonáva pomocou nitov, skrutiek alebo zvárania. Patria sem oceľové konštrukcie pre mosty, budovy, priemysel a baníctvo, vodné stavby, piliere, veže, nádrže, v širšom zmysle aj pre žeriavy, stavbu lodí, kotly atď. Ťažiskom nasledujúcich prezentácií je spracovanie základných pojmov.
Materiály
Hlavným konštrukčným materiálom oceľových konštrukcií sú valcované profily zo stavebnej kvalitnej ocele S235, S275, S355, S420, S450. V závislosti od normy existuje niekoľko rôznych typov konštrukčnej ocele, kde číslo v klasifikácii zvyčajne označuje pevnosť ocele v ťahu. Existuje niekoľko písmenových symbolov, pričom v tomto prípade S znamená konštrukčnú oceľ. Najbežnejšie používané formy sú S, B (betónové ocele, výstuž) a Y (predpínacia oceľ).
Oceľové valcované podpery
Existuje široká škála oceľových profilovaných podpier a každá má svoj vlastný účel, výhody a nevýhody.
- U-profily
- I-profily s úzkymi nohami (IPE, IPN)
- I-profily so širokými nohami (HEA, HEB, HEM, HD)
- Duté profily/škatule (okrúhle, štvorcové, obdĺžnikové)
- Listy
- Výrobky tvarované za studena (získané valcovaním plochého pásu za studena a krútením plochého pásu)
Každý z týchto profilov sa líši tvarom, rozmermi, účelom atď. Napríklad existuje viac ako 20 rôznych profilov IPN, ktoré sa líšia rozmermi; väčšie profily lepšie odolávajú vybočeniu (ohybovému a bočnému torznému), priehybom atď.
Existujú štyri triedy ocelí podľa toho, či pri zvýšenom napätí dosahujú medzu klzu, či je rozbor plastický alebo elastický, aká je únosnosť prierezu atď., kde prvá trieda je najlepšia a štvrtá najhoršia. Viac o štruktúre a pevnosti ocele si môžete prečítať tu.
Vyrovnanie napätia a nosnosť pri stálom zaťažení
Únosnosť. Rozmery oceľových konštrukcií sú určené tak, aby boli vylúčené výrazné trvalé deformácie. Únosnosť však v mnohých prípadoch nie je nijako vyčerpaná, keď najvyššie porovnávacie napätie dosiahne medzu klzu - vtedy deformácie rastú oveľa rýchlejšie ako napätia. Pre konštrukčnú oceľ možno rovnakú závislosť ako pri poddajnosti brať ako medzu Hookovho zákona pre všeobecné podmienky napätia. V prípade homogénnych napätí, ktoré sú na každom mieste rovnaké, nedochádza pri prekročení hranice úmernosti k žiadnym zmenám, okrem toho, že celkové deformácie rastú rýchlejšie ako napätie.
Vyrovnanie napätia pri ohybe. V prípade ohybu nosníka platí priamkové rozloženie napätia podľa Navierovej hypotézy, kým okrajové napätie σ=M/W nepresiahne hranicu úmernosti. Pozdĺžne rozšírenia ε = ε(σ). To platí aspoň pri malých zákrutách. Napätia, ktoré sú vyššie ako napätie úmernosti, môžu rásť len pomalšie ako expanzie ε. Na obr. 1 zobrazuje rozloženie ohybového napätia pre daný prevádzkový diagram a pre rôzne hodnoty rozťažnosti hrán. Oblasť proporcionality (označená krúžkom na všetkých napäťových vedeniach) sa preto s rastúcou dilatáciou okraja zmenšuje a zmenšuje. Okrajové napätie je najskôr obmedzené σF. Až po veľmi výrazných deformáciách vzrastie maximálne napätie nad σF, takže sa prejaví vplyv výstuže konštrukčnej ocele (prípad 5).
Obr. 1 - Vyrovnanie ohybového napätia
Vyrovnanie vrcholov napätia. Rozloženie pozdĺžnych napätí v reze stredom otvoru v jednej napnutej vŕtanej tyči približne zodpovedá čiare 2 na obr. 2. Vrchol napätia σmax závisí od pomeru d/b. Väčšinou sa pohybuje okolo σmax = 2-3 σm, kde σm = S/FM označuje priemernú hodnotu ťahového napätia v úseku oslabenom otvorom pri FM. Sl. 2 platí, kým stav napätia neprekročí P-limit. Pri väčšom zaťažení, aby sa dosiahla určitá dilatácia, sú potrebné nižšie napätia len v blízkosti otvoru ako podľa priamkového zákona. V najviac namáhaných bodoch sa potom už napätia nebudú zvyšovať úmerne s S, ale skôr pomalšie. Na rozhraní sa získa približne rovnomerné rozloženie pozdĺžnych napätí σm = σf po celom úseku 2-2. Šmykové a priečne napätia boli zanedbané. Výskyty vyrovnávania napätí pri pomalom zvyšovaní sily S v tyči dokazujú, že obvyklá metóda pre oceľové konštrukcie pri pôsobení statického zaťaženia je opodstatnená, ignorovať vrcholy napätia pri dimenzovaní a porovnávať len priemerné napätie σm=S/Fm v oslabenom priereze Fm s prípustnou hodnotou.
Obr. 2
Postup dimenzovania podľa nosnosti
Pri zvyšovaní zaťaženia dochádza v sekcii k vyrovnaniu napätia. Pritom sa napätia preskupia z najviac namáhaných častí prierezu do menej namáhaných. Pokiaľ deformácie nie sú také veľké, že ich treba brať do úvahy pri nastavovaní podmienok rovnováhy, nemôže tento proces pri staticky určených štruktúrach nič zmeniť na veľkosti vplyvu S, M atď.
Spojité a rámové podpery: za predpokladu Hookovho zákona sa získa pre jednu súvislú podperu konštantného prierezu (obr.3) momentová čiara uvedená pod a. Namáhania v ohybe sú úmerné ohybovým momentom M. Ak obe zaťaženia narastú rovnako, najskôr sa prekročí medza P na strednej podpere B. Hranica únosnosti sa dosiahne pri dosiahnutí medzného momentu MDF aj v poli. V prípade nosníka upnutého na oboch stranách konštantného symetrického prierezu sústredenou silou (obr.4) momentové vyrovnanie existuje od začiatku. Pri prekročení P-limitu nedochádza k žiadnej zmene v rozložení momentov. Naopak, v prípade rovnomerne rozloženého zaťaženia (obr.5) vyrovnanie momentov vedie k zníženiu momentu zovretia s -2/3 Mo dňa -1/2 Mo.
Sl.4
Sl.3atď.5, respektíve: ohybové momenty: a) pred, b) medzný stav po preskupení síl; a) pred, b) po vyrovnaní hybnosti
Prihradkové konštrukcie: pri vnútorne staticky neurčitých väzníkoch sú podobné závislosti ako pri rámových konštrukciách. Sekundárne napätia, ktoré súvisia s uzlami tuhými v ohybe, je možné pri prvom priblížení pri hodnotení únosnosti zanedbať. Plastifikované profily pôsobia podobne ako spoje, takže statické pôsobenie nosníka pri medznom zaťažení, ktoré ešte môže niesť, je bližšie k ideálnemu krovu so spojmi v uzloch. Pri konštrukciách s často sa opakujúcim zaťažením, pri ktorých treba brať do úvahy javy únavovej pevnosti, sú preto značné pochybnosti proti zohľadneniu vyrovnávania síl pri dimenzovaní. Naopak, z praktického hľadiska je dôležité dospieť k záveru o vplyve posunu podpier. Keďže pracovná pevnosť jednotlivých konštrukčných prvkov závisí len od limitov napätia, a nie od veľkosti celkových deformácií, posunutia podpier nemajú vplyv na únosnosť.
Striedavé zaťaženie: predpoklad konštantného zaťažovacieho stavu sa realizuje len zriedka. Pri mostných nosníkoch dochádza k premenlivým stavom zaťaženia. Predpoklady o silách a rozložení napätí v jednotlivých konštrukčných prvkoch, ktoré zjednodušujú, sú pri praktickej práci s oceľovými konštrukciami bežné, podľa predchádzajúceho sú za bežných okolností opodstatnené. To platí najmä pre zanedbanie miestnych napäťových špičiek. Nemožno odporučiť aplikovať metódu dimenzovania podľa únosnosti pri (dynamickom) únavovom zaťažení. Postup dimenzovania podľa únosnosti je teda obmedzený na prípad prevažne statického zaťaženia, najmä na stavby v stavebníctve. V iných prípadoch, v ktorých by sa mala venovať pozornosť prejavom únavy, bude potrebné vylúčiť výrazné deformácie a za základ vziať teóriu pružnosti. Pritom sa treba snažiť o dostatočne veľkú vzdialenosť od medze klzu. Húževnatosť stavebnej ocele potom poskytuje určitú dodatočnú bezpečnosť.
Striedavý stres
Naťahovanie za studena a starnutie: Na obr. 6 bola použitá línia dilatácie napätia kruhovej tyče, ktorá bola vystavená striedavým ťahovým a tlakovým napätiam. Jednotlivé procesy zaťaženia sú označené číslami podľa ich poradia. Elastické dilatácie, ktoré sa vracajú pri odľahčení, sa vyskytujú aj po veľkom natiahnutí úmerne k namáhaniu. Pri zmene znamienka napätia P-limit takmer úplne zmizne. Preto elastické vlastnosti stavebnej ocele ťahanej za studena nesúhlasia s pôvodnými hodnotami. V závislosti od predchádzajúceho spracovania je možné zobraziť pomerne významné rozdiely.
Obr. 6
Spolu s tým prichádzajú ďalšie známky starnutia. Tento pojem zahŕňa všetky zmeny vlastností, ku ktorým dochádza v priebehu času bez vonkajšieho vplyvu. Starnutie natiahnutím možno pozorovať po trvalej deformácii naťahovaním za studena. Ak sú trvalo natiahnuté skúšobné telesá ponechané nejaký čas bez zaťaženia pri izbovej teplote, pevnosť v ťahu a v menšej miere aj pevnosť v roztrhnutí stúpne nad pôvodnú hodnotu, zatiaľ čo predĺženie pri pretrhnutí sa zníži (obr. 7). Proces starnutia trvá niekoľko dní, ale skráti sa na niekoľko hodín alebo len minút, ak sa konštrukčná oceľ zahreje na približne 300 oC. Malo by sa tiež spomenúť, že starnutie strečingu nastáva súčasne so strečingom, ak k tomu dôjde pri teplote. 200 – 400 oC, t.j. v oblasti modrej žiary.
Obr. 7 - a) expanzné vedenie dvakrát zaťaženej tyče; b) dilatačná línia tyče natiahnutej v studenom stave
Následné pôsobenie a hysterézia: V úplne elastickom materiáli existuje jednoznačná vzájomná závislosť medzi napätím a deformačným stavom, takže určité napätia zodpovedajú vždy rovnakým deformáciám a naopak. Pri danom zákone pružnosti deformácie nezávisia od času, ktorý uplynul od aplikovania zaťaženia, a tiež nie od spôsobu, akým zaťaženie pôsobí. Odchýlky od čisto elastického správania možno opísať v dvoch stupňoch priblíženia: v elastickej oblasti sú malé odchýlky; možno ich pri prvom priblížení ignorovať. Dajú sa určiť presnými meraniami, najmä pri porovnaní napätia bližšie k hranici pružnosti. Totiž dilatácia nie je len funkciou napätia, ale pri uzavretom zaťažovacom cykle a rovnakom napätí je pri odľahčení vždy o niečo menšia ako pri zaťažení. Odchýlka od úplnej elasticity, tzn. rozdiel medzi zodpovedajúcimi expanziami pri rovnakých napätiach sa nazýva elastická hysterézia. Ak sa cyklus zaťaženia opakuje častejšie, dosiahne sa to pri nie príliš vysokých napätiach - uzavretá slučka hysterézie alebo tlmenia. Sl. 8 zobrazuje tlmiace slučky pre rôzne hodnoty AC záťaže. Šírka slučiek sa silne zvyšuje s výškou napätia. Plocha slučky je úmerná deformačnej práci, ktorá sa pri každom cykle stráca a premieňa na teplo. Taktiež deformácie sú premenlivé nielen s výškou napätia, ale aj časom, závisia od rýchlosti a spôsobu zaťažovania. Časť deformácie, ktorá závisí od času, sa nazýva následný efekt. Hysteréza a následný efekt sa vyskytujú súčasne. Spravidla nemajú praktický význam pre tie druhy stavebnej ocele, ktoré sa vyskytujú v oceľových konštrukciách pri izbovej teplote.
Sl. 8
Poznámka k aplikácii: Historické označenia materiálov, predpoklady, schémy a postupy v texte by sa nemali používať ako náhrada za súčasné normy, špecifické vlastnosti výrobku, výpočtový model a odborné overenie celkovej konštrukcie.