Pomembna strokovna opomba: To je arhivsko izobraževalno besedilo, ne veljavna konstrukcijska specifikacija, statični izračun, dokazilo o nosilnosti ali navodila za izdelavo in montažo. Projektiranje jeklenih konstrukcij mora vključevati dejanska delovanja, povezave, stabilnost, utrujanje, požar, korozijo in vse druge pomembne pogoje po veljavnih predpisih in standardih, za kar je odgovoren pooblaščeni projektant.

Projektiranje in izdelava jeklenih konstrukcij ni del trenutne javne ponudbe Sava Kusića. Današnji fokus proizvodnje so lesena okna, leseno-aluminijasta okna in vrata po meri.

Jeklene konstrukcije imajo skupno lastnost, da so večinoma izdelane iz vroče valjanega jekla. Spajanje poteka z zakovicami, vijaki ali varjenjem. Sem sodijo jeklene konstrukcije za mostove, zgradbe, industrijo in rudarstvo, hidrotehniko, stebre, stolpe, rezervoarje, v širšem smislu tudi za žerjave, ladjedelništvo, kotle itd. Težišče naslednjih predstavitev je obravnava osnovnih pojmov.

Materiali

Glavni gradbeni material jeklenih konstrukcij so valjani profili iz konstrukcijskega kakovostnega jekla S235, S275, S355, S420, S450. Glede na standard obstaja več različnih tipov konstrukcijskega jekla, kjer številka v klasifikaciji običajno označuje natezno trdnost jekla. Obstaja več črkovnih simbolov, kjer v tem primeru S pomeni konstrukcijsko jeklo. Najpogosteje uporabljene oblike so S, B (betonska jekla, armatura) in Y (jeklo za prednapenjanje).

Jekleni valjani nosilci

Jeklenih profiliranih podpornikov je zelo veliko in vsak ima svoj namen, prednosti in slabosti.

  • u-profili
  • I-profili z ozkimi kraki (IPE, IPN)
  • I-profili s širokimi kraki (HEA, HEB, HEM, HD)
  • Votli profili/zaboji (okrogli, kvadratni, pravokotni)
  • Rjuhe
  • Hladno oblikovani izdelki (pridobljeni s hladnim valjanjem ravnega traku in zvijanjem ravnega traku)

Vsak od teh profilov se razlikuje po obliki, dimenzijah, namenu itd. Na primer, obstaja več kot 20 različnih IPN profilov, ki se razlikujejo po dimenzijah; večji profili lahko bolje prenesejo upogibanje (upogibno in bočno-torzijsko), upogibe itd.

Obstajajo štirje razredi jekel glede na to, ali dosežejo mejo tečenja ob povečani napetosti, ali je analiza plastična ali elastična, kakšna je nosilnost prereza itd., pri čemer je prvi razred najboljši, četrti pa najslabši. Več o strukturi in trdnosti jekla si lahko preberete tukaj.

Izravnavanje napetosti in nosilnost pri enakomerni obremenitvi

Nosilnost. Dimenzije jeklenih konstrukcij so določene tako, da so izključene bistvene trajne deformacije. Nosilnost pa v mnogih primerih nikakor ni izčrpana, ko najvišja primerjalna napetost doseže mejo tečenja - takrat deformacije rastejo veliko hitreje od napetosti. Za konstrukcijsko jeklo se lahko enaka odvisnost kot pri popuščanju vzame kot meja Hookovega zakona za splošne pogoje napetosti. Pri homogenih napetostnih stanjih, ki so povsod enaka, ob prekoračitvi meje sorazmernosti ne pride do sprememb, razen da skupne deformacije rastejo hitreje od napetosti.

Izenačitev napetosti pri upogibu. Pri upogibu nosilca velja premočrtna porazdelitev napetosti po Navierjevi hipotezi, dokler robna napetost σ=M/W ne preseže meje sorazmernosti. Vzdolžni raztezi ε = ε(σ). To velja vsaj za majhne ovinke. Napetosti, ki so višje od sorazmerne napetosti, lahko rastejo le počasneje kot raztezki ε. Na sl. 1 prikazuje porazdelitev upogibne napetosti za dani delovni diagram in za različne vrednosti raztezanja robov. Območje sorazmernosti (označeno s krogom na vseh napetostnih vodih) postaja torej vedno manjše z naraščajočo dilatacijo robov. Robna napetost je najprej omejena s σF. Šele po zelo velikih deformacijah se največja napetost dvigne nad σF, tako da postane viden vpliv konstrukcijske jeklene armature (primer 5).

Porazdelitev upogibnih napetosti pri različnih razširitvah robov

Sl. 1 - Izenačitev upogibne napetosti

Izenačitev vrhov napetosti. Porazdelitev vzdolžnih napetosti po prerezu skozi sredino izvrtine v eni napeti navrtani palici približno ustreza črti 2 na sl. 2. Vrh napetosti σmax je odvisen od razmerja d/b. Večinoma je okoli σmax = 2-3 σm, kjer σm = S/FM označuje povprečno vrednost natezne napetosti v odseku, oslabljenem zaradi luknje pri FM. Sl. 2 velja, dokler napetostno stanje ne preseže P-meje. Pri večjih obremenitvah so za dosego določene dilatacije potrebne manjše napetosti samo v bližini luknje kot po premičnem zakonu. Na najbolj obremenjenih točkah napetosti takrat ne bodo več naraščale sorazmerno s S, temveč počasneje. Na meji dobimo približno enakomerno porazdelitev vzdolžnih napetosti σm = σf po celotnem prerezu 2-2. Strižne in prečne napetosti so bile zanemarjene. Pojavi izravnave napetosti med počasnim naraščanjem sile S v palici dokazujejo, da je običajna metoda za jeklene konstrukcije pod vplivom statične obremenitve upravičena, da zanemarimo napetostne vrhove pri dimenzioniranju in primerjamo le povprečno napetost σm=S/Fm v oslabljenem prerezu Fm z dovoljeno vrednostjo.

Porazdelitev napetosti okoli luknje v napeti jekleni palici

Sl. 2

Postopek dimenzioniranja glede na nosilnost

S povečanjem obremenitve pride do izravnave napetosti v odseku. Pri tem se napetosti prerazporedijo od najbolj obremenjenih delov prereza k manj obremenjenim. Dokler deformacije niso tako velike, da bi jih bilo treba upoštevati pri postavljanju ravnotežnih pogojev, ta proces ne more spremeniti ničesar na velikosti vpliva S, M itd. za statično določene strukture.

Zvezni in okvirni nosilci: ob predpostavki Hookovega zakona se momentna premica, prikazana pod a, dobi za en zvezni nosilec konstantnega preseka (slika 3). Upogibne napetosti so sorazmerne z upogibnimi momenti M. Če obe obremenitvi enakomerno naraščata, bo P-meja najprej presežena pri srednjem nosilcu B. Meja ležaja je dosežena, ko je mejni moment MDF dosežen tudi na polju. V primeru nosilca, vpetega na obeh straneh konstantnega simetričnega odseka s koncentrirano silo (sl. 4), obstaja izenačitev momentov od začetka. Ko je P-meja presežena, se porazdelitev momenta ne spremeni. Nasprotno, v primeru enakomerno porazdeljene obremenitve (sl. 5) izenačitev momentov vodi do zmanjšanja momenta stiskanja z -2/3 Mo na -1/2 Mo.

Diagram dvojno vpetega nosilca s koncentrirano silo

Sl. 4

Črte trenutkov pred in po prerazporeditvi trenutkov

Sl. 3 in podobno. 5 oziroma: upogibni momenti: a) pred, b) mejno stanje po prerazporeditvi sil; a) pred, b) po izenačitvi momenta

Mrežaste konstrukcije: pri notranje statično nedoločenih nosilcih so podobne odvisnosti kot pri okvirnih konstrukcijah. Sekundarne napetosti, ki so vezane na upogibno toga vozlišča, lahko pri ocenjevanju nosilnosti v prvem približku zanemarimo. Plastificirani profili delujejo podobno kot spoji, tako da je statično delovanje nosilca pod največjo obremenitvijo, ki jo še lahko prenese, bližje idealnemu nosilcu s spoji v vozliščih. Pri konstrukcijah s pogosto ponavljajočimi se obremenitvami, pri katerih je treba upoštevati pojave utrujenostne trdnosti, se zato pojavljajo precejšnji dvomi o upoštevanju izravnave sil pri dimenzioniranju. Nasprotno, praktičnega pomena je sklepanje o vplivu premika nosilcev. Ker je delovna trdnost posameznih konstrukcijskih elementov odvisna samo od napetostnih meja, ne pa od velikosti skupnih deformacij, pomiki podpor nimajo vpliva na nosilnost.

Izmenična obremenitev: predpostavka primera stalne obremenitve se redko uresniči. Pri mostnih nosilcih so spremenljiva stanja obremenitev. Predpostavke o porazdelitvi sil in napetosti v posameznih konstrukcijskih elementih, ki poenostavljajo, so pogoste pri praktičnem delu z jeklenimi konstrukcijami, po prejšnjem pa so upravičene v običajnih okoliščinah. To še posebej velja za zanemarjanje lokalnih napetostnih konic. Uporaba metode dimenzioniranja glede na nosilnost pri (dinamični) utrujenostni obremenitvi ni priporočljiva. Tako je postopek dimenzioniranja glede na nosilnost omejen na primere pretežno statičnih obremenitev, predvsem na konstrukcije v gradbeništvu. V drugih primerih, ko je treba biti pozoren na pojav utrujenosti, bo treba izključiti pomembne deformacije in vzeti kot osnovo teorijo elastičnosti. Pri tem si je treba prizadevati za dovolj velik odmik od meje tečenja. Žilavost konstrukcijskega jekla nato zagotavlja nekaj dodatne varnosti.

Izmenični stres

Hladno raztezanje in staranje: Na sl. 6 Uporabljena je bila linija dilatacije napetosti okrogle palice, ki je bila izpostavljena izmeničnim nateznim in tlačnim napetostim. Posamezni procesi obremenitve so označeni s številkami glede na njihov vrstni red. Elastične dilatacije, ki se vrnejo ob razbremenitvi, se pojavijo tudi po velikih raztezkih sorazmerno z napetostmi. Pri spremembi predznaka napetosti P-meja skoraj popolnoma izgine. Zato se elastične lastnosti konstrukcijskega jekla, vlečenega v hladnem stanju, ne ujemajo s prvotnimi vrednostmi. Glede na predhodno obdelavo se lahko pokažejo precejšnje razlike.

Napeto-dilatacijska črta pri izmenični obremenitvi jeklene palice

Sl. 6

Poleg tega pride še več znakov staranja. Ta izraz vključuje vse spremembe lastnosti, ki se zgodijo skozi čas brez zunanjega vpliva. Raztezno staranje lahko opazimo po trajni deformaciji s hladnim raztezanjem. Če trajno raztegnjene preskusne vzorce pustimo nekaj časa brez obremenitve pri sobni temperaturi, se natezna trdnost in v manjši meri stržna trdnost dvigneta nad prvotno vrednost, medtem ko se raztezek ob pretrgu zmanjša (slika 7). Proces staranja traja več dni, vendar se skrajša na nekaj ur ali le minut, če se konstrukcijsko jeklo segreje na približno 300 oC. Omeniti je treba tudi, da se raztezno staranje pojavi sočasno z raztezanjem, če se to zgodi pri temp. 200 – 400 oC, tj. v območju modrega sijaja.

Primerjava dilatacije ponovno naložene in hladno raztegnjene palice

Sl. 7 - a) raztezna linija dvojno obremenjene palice; b) dilatacijska linija palice, raztegnjene v hladnem stanju

Naknadno delovanje in histereza: V popolnoma elastičnem materialu obstaja nedvoumna medsebojna odvisnost med napetostnim in deformacijskim stanjem, tako da določenim napetostim vedno ustrezajo iste deformacije in obratno. Pri danem zakonu elastičnosti deformacije niso odvisne od časa, ki je pretekel od obremenitve, in tudi ne od načina obremenitve. Odstopanja od povsem elastičnega obnašanja lahko opišemo v dveh stopnjah približevanja: v elastičnem območju so majhna odstopanja; v prvem približku jih lahko zanemarimo. Lahko jih določimo z natančnimi meritvami, zlasti če primerjamo napetost bližje meji elastičnosti. Dilatacija namreč ni samo funkcija napetosti, ampak je pri sklenjenem obremenitvenem ciklu in enaki napetosti pri razbremenitvi vedno nekoliko manjša kot pri obremenitvi. Odstopanje od popolne elastičnosti, tj. razliko med ustreznimi raztezki pri enakih napetostih imenujemo elastična histereza. Če se obremenitveni cikel pogosteje ponavlja, to dobimo pri ne previsokih napetostih - zaprta zanka histereze ali dušenja. Sl. 8 prikazuje dušilne zanke za različne vrednosti AC obremenitve. Širina zank močno narašča z višino napetosti. Površina zanke je sorazmerna z deformacijskim delom, ki se pri vsakem ciklu izgubi in pretvori v toploto. Prav tako so deformacije spremenljive ne le z višino napetosti, temveč tudi s časom, odvisne so od hitrosti in načina obremenjevanja. Del deformacije, ki je odvisen od časa, imenujemo naknadni učinek. Histereza in naknadni učinek se pojavita hkrati. Za tiste vrste konstrukcijskega jekla, ki se pojavljajo v jeklenih konstrukcijah pri sobnih temperaturah, praviloma nimajo praktičnega pomena.

Histerezne zanke pri različnih stopnjah izmenične obremenitve

Sl. 8

Opomba za uporabo: Zgodovinske oznake materialov, predpostavke, diagrami in postopki v besedilu se ne smejo uporabljati kot nadomestek za trenutne standarde, specifične lastnosti izdelka, računski model in strokovno preverjanje celotne konstrukcije.