Grunderna i stålkonstruktioner

Viktig expertanmärkning: Detta är en arkiverad utbildningstext, inte en aktuell designspecifikation, statisk beräkning, bevis på lastkapacitet eller tillverknings- och monteringsanvisningar. Utformningen av stålkonstruktioner måste inkludera faktiska effekter, fogar, stabilitet, utmattning, brand, korrosion och alla andra relevanta förhållanden enligt gällande föreskrifter och standarder, med ansvar av den auktoriserade konstruktören.

Design och konstruktion av stålkonstruktioner är inte en del av Savo Kusićs nuvarande offentliga erbjudande. Dagens produktionsfokus består av träfönster, trä-aluminiumfönster och skräddarsydda dörrar.

Stålkonstruktioner har ett gemensamt drag i att de huvudsakligen är gjorda av varmvalsat stål. Sammanfogning sker med nitar, skruvar eller svetsning. Detta inkluderar stålkonstruktioner för broar, byggnader, industri och gruvdrift, vattenbyggnad, pelare, torn, tankar, i vidare bemärkelse och för kranar, skeppsbyggnad, pannor etc. Fokus i följande presentationer är behandlingen av grundläggande begrepp.

Material

Det huvudsakliga konstruktionsmaterialet för stålkonstruktioner är valsade profiler från konstruktionskvalitetsstål S235, S275, S355, S420, S450. Beroende på standard finns det flera olika typer av konstruktionsstål, där siffran i klassificeringen vanligtvis anger stålets draghållfasthet. Det finns flera bokstavssymboler, där S:et i detta fall står för konstruktionsstål. De vanligaste formerna som används är S, B (betongstål, armering) och Y (förspänningsstål).

Valsade stöd i stål

Det finns ett brett utbud av stålprofilerade stöd och alla har sitt eget syfte, fördelar och nackdelar.

• U-profiler
• I-profiler med smala ben (IPE, IPN)
• I-profiler med breda ben (HEA, HEB, HEM, HD)
• Ihåliga profiler/lådor (runda, kvadratiska, rektangulära)
• Blad
• Kallformade produkter (erhållna genom kallvalsning av platt band och vridning av platt band)

Var och en av dessa profiler skiljer sig i form, dimensioner, syfte, etc. Till exempel finns det över 20 olika IPN-profiler, som skiljer sig i dimensioner; större profiler tål bättre buckling (böjning och lateral-torsion), nedböjningar, etc.

Det finns fyra klasser av stål beroende på om de når sträckgränsen när spänningen ökas, om analysen är plastisk eller elastisk, vad är tvärsnittets belastningsförmåga etc. där den första klassen är bäst och den fjärde är sämst. Mer om stålets struktur och styrka kan läsas här.

Spänningsutjämning och bärförmåga vid konstant belastning

Bärförmåga. Stålkonstruktionernas dimensioner bestäms så att betydande permanenta deformationer utesluts. Bärförmågan är däremot i många fall inte uttömd på något sätt när den högsta jämförelsespänningen når sträckgränsen - då växer deformationerna mycket snabbare än spänningarna. För konstruktionsstål kan samma beroende som vid eftergivenhet tas som gräns för Hookes lag för allmänna spänningstillstånd. Vid homogena spänningstillstånd, som är lika på varje plats, sker inga förändringar när proportionalitetsgränsen överskrids, förutom att de totala deformationerna växer snabbare än spänningen.

Utjämning av spänning vid böjning. Vid böjning av en balk gäller den rätlinjiga spänningsfördelningen enligt Navier-hypotesen, tills kantspänningen σ=M/W inte överskrider proportionalitetsgränsen. Longitudinella expansioner ε = ε(σ). Detta gäller åtminstone för små böjar. Spänningar som är högre än den proportionella spänningen kan bara växa långsammare än expansionerna ε. I fig. 1 visar böjspänningsfördelningen för det givna driftdiagrammet och för olika värden på kantexpansion. Proportionalitetsarean (markerad med en cirkel på alla spänningsledningar) blir därför mindre och mindre med ökande kantdilatation. Kantspänningen begränsas först av σF. Först efter mycket betydande deformationer stiger den maximala spänningen över σF, så att inverkan av stålkonstruktionsarmeringen blir synlig (fall 5).

Fig. 1 - Böjspänningsutjämning

Utjämning av spänningstoppar. Fördelningen av längdspänningar över sektionen genom mitten av hålet i en enkel spänd borrad stång motsvarar ungefär linjen2i fig.2. Spänningstoppen σmax beror på d/b-förhållandet. Det är mest runt σmax =2-3σm, där σm = S/FM  anger medelvärdet för dragspänningen i sektionen som försvagats av hålet vid FM. Sl.2giltig tills spänningstillståndet överskrider P-gränsen. Vid högre belastningar, för att uppnå en viss utvidgning, krävs spänningar lägre än enligt rätlinjelagen endast nära hålet. På de mest belastade punkterna kommer spänningarna då inte längre att öka proportionellt med S, utan snarare långsammare. Vid gränsen kommer den att fås över hela sträckan2-2en ungefär likformig fördelning av längsspänningar σm = σf. Skjuv- och tvärspänningar försummades. Förekomsterna av spänningsutjämning under den långsamma ökningen av kraften S i stången bevisar att den vanliga metoden för stålkonstruktioner under inverkan av en statisk belastning är motiverad, att ignorera spänningstopparna vid dimensionering och att endast jämföra medelspänningen σm=S/Fm i den försvagade sektionen Fm med det tillåtna värdet.

Sl.2

Dimensioneringsprocedur enligt lastkapacitet

När belastningen ökar sker spänningsutjämning i sektionen. Därvid omgrupperas spänningarna från de mest belastade delarna av sektionen till de mindre belastade. Så länge deformationerna inte är så stora att de måste beaktas vid inställning av jämviktsförhållandena kan denna process inte ändra någonting på storleken på påverkan av S, M etc. med statiskt bestämda strukturer.

Kontinuerliga stöd och ramstöd: under antagandet av Hookes lag, erhålls det för ett kontinuerligt stöd med konstant sektion (fig.3) momentlinje som visas under a. Böjspänningarna är proportionella mot böjmomenten M. Om båda lasterna ökar lika överskrids först P-gränsen vid mittstödet B. Bärgränsen uppnås när begränsningsmomentet MDF uppnås även i fält. I fallet med en balk fastspänd på båda sidor av en konstant symmetrisk sektion med en koncentrerad kraft (fig.4) momentutjämning existerar från början. När P-gränsen överskrids sker ingen förändring i momentfördelningen. Tvärtom, i fallet med en jämnt fördelad last (fig.5) utjämningen av momenten leder till en minskning av klämmomentet med -2/3 Mom på -1/2 Mo.

Sl.4

Fig. 3 och liknande. 5, respektive: böjmoment: a) före, b) gränstillstånd efter kraftomgruppering; a) före, b) efter momentutjämning

Gallerkonstruktioner: med invändigt statiskt obestämda takstolar finns det liknande beroenden som med ramkonstruktioner. De sekundära spänningarna, som är relaterade till noderna som är stela i böjning, kan försummas i den första approximationen vid utvärdering av lastkapaciteten. Mjukade sektioner fungerar på samma sätt som fogar, så att den statiska verkan av balken under den slutliga belastningen den fortfarande kan bära är närmare den för en idealisk fackverk med fogar i noderna. När det gäller konstruktioner med ofta upprepade belastningar, där utmattningshållfasthetsfenomen bör beaktas, råder därför stora tvivel mot att ta hänsyn till kraftutjämning vid dimensionering. Tvärtom är det av praktisk betydelse att dra slutsatser om påverkan av förskjutningen av stöd. Eftersom arbetshållfastheten hos enskilda konstruktionselement endast beror på spänningsgränserna och inte på storleken på de totala deformationerna, har förskjutningarna av stöden ingen effekt på bärförmågan.

Alternerande belastning: antagandet om ett konstant belastningsfall realiseras sällan. Med brobalkar finns variabla belastningstillstånd. Antaganden om krafter och spänningsfördelning i enskilda konstruktionselement, som förenklar, är vanliga i praktiskt arbete med stålkonstruktioner, enligt det föregående är de motiverade under vanliga omständigheter. Detta gäller särskilt för att försumma lokala spänningstoppar. Det kan inte rekommenderas att tillämpa metoden för dimensionering efter lastkapacitet vid (dynamisk) utmattningsbelastning. Sålunda begränsas dimensioneringsförfarandet efter lastförmåga till övervägande statiska laster, särskilt till konstruktioner inom byggbranschen. I andra fall, där uppmärksamhet bör ägnas åt utseendet av trötthet, måste betydande deformationer uteslutas och teorin om elasticitet tas som grund. Därvid bör man eftersträva ett tillräckligt stort avstånd från flytgränsen. Segheten hos konstruktionsstål ger då en viss extra säkerhet.

Växelspänning

Kall stretching och åldrande: I fig. 6 spänningsdilatationslinjen för en rund stav, som utsattes för omväxlande drag- och tryckspänningar, applicerades. Individuella lastprocesser är markerade med nummer enligt deras ordning. Elastiska dilatationer som återkommer vid lossning sker även efter stora sträckor i proportion till spänningarna. Vid byte av spänningstecken försvinner P-gränsen nästan helt. Därför stämmer inte de elastiska egenskaperna hos konstruktionsstål som dras i kallt tillstånd med de ursprungliga värdena. Beroende på tidigare bearbetning kan ganska betydande skillnader visas.

Fig. 6

Tillsammans med det kommer fler tecken på åldrande. Denna term omfattar alla förändringar i egenskaper som sker över tid utan yttre påverkan. Stretchåldring kan observeras efter permanent deformation genom kall sträckning. Om permanent sträckta provexemplar lämnas utan belastning i rumstemperatur stiger draghållfastheten och, i mindre utsträckning, rivhållfastheten över det ursprungliga värdet, medan brottförlängningen minskar (Fig. 7). Åldringsprocessen varar i dagar, men reduceras till några timmar eller bara minuter, om konstruktionsstålet värms upp till cirka 300 oC. Det bör också nämnas att stretching åldrande sker samtidigt med stretching, om detta sker vid temp. 200 – 400 oC, d.v.s. i det blå glödområdet.

Fig. 7 - a) expansionslinje för en dubbelt belastad stång; b) dilatationslinje för en stav sträckt i kallt tillstånd

Efterverkan och hysteres: I ett helt elastiskt material finns ett entydigt ömsesidigt beroende mellan spännings- och deformationstillståndet, så att vissa spänningar alltid motsvarar samma deformationer och vice versa. Med en given elasticitetslag beror deformationerna inte på den tid som förflutit sedan belastningen applicerades, och inte heller på det sätt på vilket belastningen appliceras. Avvikelser från rent elastiskt beteende kan beskrivas i två grader av approximation: i det elastiska området finns små avvikelser; de kan ignoreras i den första approximationen. De kan bestämmas genom noggranna mätningar, särskilt när man jämför spänningen närmare elasticitetsgränsen. Dilatation är nämligen inte bara en funktion av spänning, utan med en sluten belastningscykel och samma spänning är den alltid något mindre under avlastning än under laddning. Avvikelse från fullständig elasticitet, dvs. skillnaden mellan motsvarande expansioner vid samma spänningar kallas elastisk hysteres. Om belastningscykeln upprepas oftare, erhålls detta vid inte för höga spänningar - en sluten slinga av hysteres eller dämpning. Sl. 8 visar dämpningsslingorna för olika AC-belastningsvärden. Bredden på slingorna ökar kraftigt med höjden på spänningen. Slingans yta är proportionell mot deformationsarbetet, som går förlorat vid varje cykel och omvandlas till värme. Deformationerna varierar inte bara med höjden på spänningen utan också med tiden, de beror på hastigheten och belastningsmetoden. Den del av deformationen, som beror på tid, kallas efterverkan. Hysteres och efterverkan inträffar samtidigt. De har i regel ingen praktisk betydelse för de typer av konstruktionsstål som förekommer i stålkonstruktioner vid rumstemperatur.

Sl. 8

Anmärkning till tillämpning: Historiska materialbeteckningar, antaganden, diagram och procedurer i texten bör inte användas som ersättning för gällande standarder, specifika produktegenskaper, beräkningsmodell och expertverifiering av den övergripande konstruktionen.