พื้นฐานของโครงสร้างเหล็ก

หมายเหตุทางวิชาชีพที่สำคัญ: นี่เป็นข้อความเพื่อการศึกษาที่เก็บไว้ ไม่ใช่ข้อกำหนดการออกแบบในปัจจุบัน การคำนวณแบบคงที่ การพิสูจน์ความสามารถในการรับน้ำหนัก หรือคำแนะนำในการผลิตและการประกอบ การออกแบบโครงสร้างเหล็กจะต้องรวมถึงการกระทำที่เกิดขึ้นจริง การเชื่อมต่อ ความมั่นคง ความล้า ไฟไหม้ การกัดกร่อน และเงื่อนไขอื่น ๆ ที่เกี่ยวข้องทั้งหมดตามกฎระเบียบและมาตรฐานที่ถูกต้อง โดยมีความรับผิดชอบของผู้ออกแบบที่ได้รับอนุญาต

การออกแบบและการก่อสร้างโครงสร้างเหล็กไม่ได้เป็นส่วนหนึ่งของข้อเสนอสาธารณะในปัจจุบันของ Savo Kusić จุดมุ่งหมายในการผลิตในปัจจุบันประกอบด้วย หน้าต่างไม้, หน้าต่างไม้-อลูมิเนียม และ ประตูสั่งทำพิเศษ

โครงสร้างเหล็กมีคุณสมบัติทั่วไปตรงที่ส่วนใหญ่ทำจากเหล็กแผ่นรีดร้อน การเชื่อมทำได้โดยใช้หมุดย้ำ สกรู หรือการเชื่อม ซึ่งรวมถึงโครงสร้างเหล็กสำหรับสะพาน อาคาร อุตสาหกรรมและเหมืองแร่ วิศวกรรมชลศาสตร์ เสา หอคอย ถัง ในความหมายที่กว้างขึ้น และสำหรับเครน การต่อเรือ หม้อไอน้ำ ฯลฯ จุดเน้นของการนำเสนอต่อไปนี้คือการจัดการแนวคิดพื้นฐาน

วัสดุ

วัสดุก่อสร้างหลักของโครงสร้างเหล็กคือเหล็กแผ่นรีดจากเหล็กคุณภาพการก่อสร้าง S235, S275, S355, S420, S450 เหล็กก่อสร้างมีหลายประเภทขึ้นอยู่กับมาตรฐาน โดยตัวเลขในการจำแนกประเภทมักจะบ่งบอกถึงความต้านทานแรงดึงของเหล็ก มีสัญลักษณ์ตัวอักษรหลายตัว ซึ่งในกรณีนี้ S ย่อมาจากเหล็กโครงสร้าง รูปแบบที่ใช้บ่อยที่สุดคือ S, B (เหล็กคอนกรีต, เหล็กเสริม) และ Y (เหล็กอัดแรง)

รองรับเหล็กรีด

มีตัวรองรับโครงเหล็กหลายประเภท และแต่ละแบบก็มีจุดประสงค์ ข้อดี และข้อเสียของตัวเอง

• U-โปรไฟล์
• โปรไฟล์ตัว I ที่มีขาแคบ (IPE, IPN)
• โปรไฟล์ I ขากว้าง (HEA, HEB, HEM, HD)
• โปรไฟล์/กล่องกลวง (กลม สี่เหลี่ยม สี่เหลี่ยม)
• ชีต
• ผลิตภัณฑ์ขึ้นรูปเย็น (ได้จากการรีดเย็นเป็นแถบแบนและบิดเป็นแถบแบน)

แต่ละโปรไฟล์เหล่านี้มีรูปร่าง ขนาด วัตถุประสงค์ที่แตกต่างกัน เป็นต้น ตัวอย่างเช่น มีโปรไฟล์ IPN ที่แตกต่างกันมากกว่า 20 ซึ่งมีขนาดแตกต่างกัน โปรไฟล์ขนาดใหญ่สามารถทนทานต่อการโก่งงอ (แรงดัดงอและบิดด้านข้าง) การโก่งตัว ฯลฯ ได้ดีกว่า

เหล็กมีสี่ประเภทขึ้นอยู่กับว่าถึงจุดครากเมื่อความเค้นเพิ่มขึ้น ไม่ว่าการวิเคราะห์จะเป็นพลาสติกหรือยืดหยุ่น ความสามารถในการรับน้ำหนักของหน้าตัดคือเท่าใด ฯลฯ โดยที่ชั้นหนึ่งดีที่สุดและชั้นที่สี่แย่ที่สุด อ่านข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับโครงสร้างและความแข็งแรงของเหล็กได้ ที่นี่

การปรับสมดุลแรงดันไฟฟ้าและความสามารถในการรองรับที่โหลดคงที่

ความสามารถในการรับน้ำหนักของตลับลูกปืน ขนาดของโครงสร้างเหล็กถูกกำหนดไว้เพื่อไม่ให้เกิดการเสียรูปถาวรอย่างมีนัยสำคัญ อย่างไรก็ตาม ความสามารถในการรับน้ำหนักของแบริ่งนั้น ในหลายกรณีจะไม่หมดไปในทางใดทางหนึ่งเมื่อความเค้นเปรียบเทียบสูงสุดถึงจุดคราก จากนั้น การเสียรูปจะเติบโตเร็วกว่าความเค้นมาก สำหรับเหล็กโครงสร้าง การพึ่งพาเช่นเดียวกับเวลาที่ให้ผลผลิตสามารถถือเป็นขีดจำกัดของกฎของฮุคสำหรับสภาวะความเค้นทั่วไป ในกรณีของสภาวะความเครียดที่เป็นเนื้อเดียวกันซึ่งเท่ากันทุกแห่ง จะไม่มีการเปลี่ยนแปลงเกิดขึ้นเมื่อเกินขีดจำกัดของสัดส่วน ยกเว้นว่าการเสียรูปทั้งหมดจะเติบโตเร็วกว่าความเครียด

การปรับสมดุลของความเค้นระหว่างการดัดงอ ในกรณีของการโค้งงอของลำแสง จะใช้การกระจายความเค้นเป็นเส้นตรงตามสมมติฐานของ Navier จนกว่าความเค้นขอบ σ=M/W จะไม่เกินขีดจำกัดของสัดส่วน การขยายตามยาว ε = ε(σ) นี่เป็นเรื่องจริงอย่างน้อยก็สำหรับการโค้งงอเล็กๆ ความเค้นที่สูงกว่าความเค้นตามสัดส่วนสามารถเติบโตได้ช้ากว่าการขยายตัว ε เท่านั้น ในรูป 1 แสดงการกระจายความเค้นดัดงอสำหรับแผนภาพการทำงานที่กำหนดและสำหรับค่าต่างๆ ของการขยายขอบ พื้นที่สัดส่วน (ทำเครื่องหมายด้วยวงกลมบนเส้นแรงดันไฟฟ้าทั้งหมด) จึงมีขนาดเล็กลงเรื่อย ๆ เมื่อขยายขอบเพิ่มขึ้น แรงดันไฟที่ขอบจะถูกจำกัดในขั้นแรกด้วย σF หลังจากการเสียรูปอย่างมีนัยสำคัญเท่านั้น ความเค้นสูงสุดจะเพิ่มขึ้นเหนือ σF ดังนั้นจึงมองเห็นอิทธิพลของการเสริมเหล็กโครงสร้างได้ (กรณี 5)

รูปที่. 1 - การปรับสมดุลแรงดันไฟฟ้าดัด

การปรับสมดุลของจุดสูงสุดของความเค้น การกระจายของความเค้นตามยาวทั่วทั้งส่วนผ่านตรงกลางของรูในแท่งเจาะที่ได้รับแรงตึงแท่งเดียวโดยประมาณจะสอดคล้องกับเส้น 2 ในรูป 2. แรงดันไฟฟ้าสูงสุด σสูงสุด ขึ้นอยู่กับอัตราส่วน d/b ส่วนใหญ่จะอยู่ที่ประมาณ σmax = 2-3 σm โดยที่ σm = S/FM หมายถึงค่าเฉลี่ยของความเค้นดึงในส่วนที่ถูกทำให้อ่อนลงเนื่องจากรูที่ FM สล. 2 ใช้ได้จนกว่าสถานะแรงดันไฟฟ้าจะเกินขีดจำกัด P ที่โหลดที่สูงกว่า เพื่อให้เกิดการขยายที่แน่นอน ต้องใช้แรงดันไฟฟ้าที่ต่ำกว่าใกล้กับรูมากกว่าตามกฎเส้นตรงเท่านั้น ณ จุดที่เกิดความเครียดมากที่สุด ความเค้นจะไม่เพิ่มขึ้นตามสัดส่วนด้วย S อีกต่อไป แต่ค่อนข้างช้ากว่า ที่ขอบ จะได้การกระจายความเค้นตามยาวที่สม่ำเสมอโดยประมาณ σm = σf ทั่วทั้งส่วน 2-2 ความเค้นเฉือนและแรงเฉือนตามขวางถูกละเลย การเกิดการปรับสมดุลความเค้นระหว่างการเพิ่มแรง S ในแท่งเหล็กอย่างช้าๆ พิสูจน์ได้ว่าวิธีการปกติสำหรับโครงสร้างเหล็กภายใต้ผลกระทบของภาระคงที่นั้นสมเหตุสมผล โดยไม่สนใจจุดสูงสุดของความเค้นในระหว่างการกำหนดขนาด และเพื่อเปรียบเทียบเฉพาะความเค้นเฉลี่ย σm=S/Fm ในส่วน Fm ที่อ่อนลงกับค่าที่อนุญาต

รูปที่. 2

ขั้นตอนการวัดขนาดตามความสามารถในการรับน้ำหนัก

เมื่อโหลดเพิ่มขึ้น แรงดันไฟฟ้าในส่วนนี้จะเท่ากัน ในการทำเช่นนั้น ความเครียดจะถูกจัดกลุ่มใหม่จากส่วนที่เครียดที่สุดของส่วนนี้ไปยังส่วนที่เครียดน้อยกว่า ตราบใดที่การเสียรูปไม่มากจนต้องคำนึงถึงเมื่อตั้งค่าเงื่อนไขสมดุล กระบวนการนี้จะไม่สามารถเปลี่ยนแปลงสิ่งใดตามขนาดของอิทธิพลของ S, M ฯลฯ สำหรับโครงสร้างที่กำหนดแบบคงที่ได้

การรองรับแบบต่อเนื่องและเฟรม: ภายใต้สมมติฐานของกฎของฮุค เส้นโมเมนต์ที่แสดงภายใต้ a ได้มาสำหรับการรองรับต่อเนื่องหนึ่งครั้งของส่วนคงที่ (รูปที่ 3) ความเค้นดัดงอจะเป็นสัดส่วนกับโมเมนต์ดัดงอ M หากโหลดทั้งสองเพิ่มขึ้นเท่ากัน ขีดจำกัด P จะเกินที่จุดรองรับตรงกลาง B ก่อน เมื่อถึงขีดจำกัดแบริ่งเมื่อถึงโมเมนต์จำกัด MDF ในสนามเช่นกัน ในกรณีของลำแสงที่ถูกยึดทั้งสองด้านของส่วนที่สมมาตรคงที่ด้วยแรงที่มีความเข้มข้น (รูปที่ 4) ความเท่าเทียมกันของโมเมนต์จะมีอยู่ตั้งแต่จุดเริ่มต้น เมื่อเกินขีดจำกัด P การกระจายโมเมนต์จะไม่มีการเปลี่ยนแปลง ในทางตรงกันข้าม ในกรณีของโหลดที่มีการกระจายเท่ากัน (รูปที่ 5) การทำให้โมเมนต์เท่ากันจะนำไปสู่การลดโมเมนต์การบีบจาก -2/3 Mo เป็น -1/2 Mo.

รูปที่. 4

รูปที่. 3 และอื่นๆ 5 ตามลำดับ: โมเมนต์การโค้งงอ: ก) ก่อน ข) จำกัดสถานะหลังการจัดกลุ่มแรงใหม่ a) ก่อน b) หลังการปรับสมดุลช่วงเวลา

โครงสร้างตาข่าย: ด้วยโครงถักที่ไม่แน่นอนคงที่ภายใน มีการพึ่งพาที่คล้ายกันเช่นเดียวกับโครงสร้างเฟรม ความเค้นทุติยภูมิซึ่งสัมพันธ์กับส่วนต่อที่มีความแข็งในการดัดงอ สามารถละเลยได้ในการประมาณครั้งแรกเมื่อประเมินความสามารถในการรับน้ำหนัก ส่วนที่เป็นพลาสติกทำหน้าที่คล้ายกับข้อต่อ ดังนั้นแรงคงที่ของคานภายใต้น้ำหนักสูงสุดที่คานยังสามารถรับได้นั้นใกล้เคียงกับคานในอุดมคติที่มีข้อต่อในโหนด ในกรณีของการก่อสร้างที่มีการรับน้ำหนักซ้ำบ่อยครั้ง ซึ่งควรคำนึงถึงปรากฏการณ์ความแข็งแรงจากความล้าด้วย ดังนั้นจึงมีข้อสงสัยอย่างมากในการคำนึงถึงการปรับสมดุลของแรงในระหว่างการกำหนดขนาด ในทางตรงกันข้าม การสรุปเกี่ยวกับอิทธิพลของการเคลื่อนที่ของตัวรองรับมีความสำคัญในทางปฏิบัติ เนื่องจากความแข็งแรงในการทำงานขององค์ประกอบโครงสร้างแต่ละชิ้นขึ้นอยู่กับขีดจำกัดความเค้นเท่านั้น และไม่ขึ้นอยู่กับขนาดของการเสียรูปทั้งหมด การเคลื่อนตัวของส่วนรองรับจึงไม่ส่งผลต่อความสามารถในการรับน้ำหนัก

โหลดแบบสลับ: สมมติฐานของกรณีโหลดคงที่ไม่ค่อยเกิดขึ้นจริง คานสะพานมีสถานะโหลดที่แปรผันได้ ข้อสันนิษฐานเกี่ยวกับการกระจายแรงและความเครียดในองค์ประกอบโครงสร้างแต่ละส่วนซึ่งทำให้ง่ายขึ้นนั้นเป็นเรื่องปกติในการทำงานจริงกับโครงสร้างเหล็กตามข้อสันนิษฐานก่อนหน้านี้ซึ่งมีความสมเหตุสมผลภายใต้สถานการณ์ปกติ นี่เป็นเรื่องจริงโดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการละเลยจุดสูงสุดของแรงดันไฟฟ้าในท้องถิ่น ไม่แนะนำให้ใช้วิธีการกำหนดขนาดตามความสามารถในการรับน้ำหนักภายใต้ภาระความล้า (ไดนามิก) ดังนั้น ขั้นตอนการกำหนดขนาดตามความสามารถในการรับน้ำหนักจึงจำกัดเฉพาะในกรณีที่มีภาระคงที่เป็นส่วนใหญ่ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการก่อสร้างในอุตสาหกรรมการก่อสร้าง ในกรณีอื่น ๆ ที่ควรให้ความสนใจกับลักษณะของความเหนื่อยล้า จะต้องยกเว้นการเสียรูปที่สำคัญ และใช้ทฤษฎีความยืดหยุ่นเป็นพื้นฐาน ในการทำเช่นนั้น เราควรพยายามรักษาระยะห่างจากจุดครากให้เพียงพอ ความเหนียวของเหล็กก่อสร้างจึงช่วยเพิ่มความปลอดภัย

ความเครียดสลับกัน

การยืดเยื้อและการแก่ชรา: ในรูป 6 ใช้เส้นขยายความเค้นของแท่งกลมซึ่งต้องเผชิญกับแรงดึงสลับและความเค้นอัด กระบวนการโหลดแต่ละรายการจะมีเครื่องหมายกำกับไว้ตามลำดับ การขยายตัวแบบยืดหยุ่นที่กลับมาเมื่อมีการขนถ่ายยังเกิดขึ้นหลังจากการยืดออกมากตามสัดส่วนของความเค้น เมื่อเปลี่ยนสัญญาณแรงดันไฟฟ้า P-limit จะหายไปเกือบทั้งหมด ดังนั้นคุณสมบัติความยืดหยุ่นของเหล็กก่อสร้างที่ดึงออกมาในสภาวะเย็นจึงไม่สอดคล้องกับค่าเดิม ขึ้นอยู่กับการประมวลผลก่อนหน้านี้ สามารถแสดงความแตกต่างที่มีนัยสำคัญได้

รูปที่. 6

พร้อมกับสัญญาณแห่งวัยที่เพิ่มมากขึ้น คำนี้รวมถึงการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทั้งหมดที่เกิดขึ้นเมื่อเวลาผ่านไปโดยไม่มีอิทธิพลจากภายนอก การยืดอายุสามารถสังเกตได้หลังจากการยืดตัวอย่างถาวรโดยการยืดแบบเย็น หากปล่อยชิ้นงานทดสอบที่ยืดอย่างถาวรไว้เป็นระยะเวลาหนึ่งโดยไม่มีการรับน้ำหนักที่อุณหภูมิห้อง ความต้านทานแรงดึงและความต้านทานการฉีกขาดจะเพิ่มขึ้นสูงกว่าค่าเดิมในระดับหนึ่ง ในขณะที่การยืดตัวที่จุดขาดจะลดลง (รูปที่ 7) กระบวนการเสื่อมสภาพจะใช้เวลาหลายวัน แต่จะลดลงเหลือเพียงไม่กี่ชั่วโมงหรือเพียงไม่กี่นาที ถ้าเหล็กโครงสร้างได้รับความร้อนถึงประมาณ 300 oC ควรระบุด้วยว่าการยืดกล้ามเนื้อเกิดขึ้นพร้อมกับการยืดกล้ามเนื้อ หากสิ่งนี้เกิดขึ้นที่อุณหภูมิ 200 – 400 oC เช่น ในพื้นที่เรืองแสงสีน้ำเงิน

รูปที่. 7 - ก) เส้นขยายของแกนที่รับน้ำหนักสองเท่า b) เส้นขยายของแท่งที่ยืดออกในสภาวะเย็น

การกระทำที่ตามมาและฮิสเทรีซิส: ในวัสดุที่ยืดหยุ่นได้อย่างสมบูรณ์ มีการพึ่งพาซึ่งกันและกันอย่างชัดเจนระหว่างความเค้นและสถานะการเปลี่ยนรูป ดังนั้นความเค้นบางอย่างจะสอดคล้องกับการเสียรูปเดียวกันเสมอและในทางกลับกัน ด้วยกฎความยืดหยุ่นที่กำหนด การเสียรูปไม่ได้ขึ้นอยู่กับเวลาที่ผ่านไปนับตั้งแต่มีการรับน้ำหนัก และไม่ได้ขึ้นอยู่กับวิธีการรับน้ำหนักด้วย การเบี่ยงเบนจากพฤติกรรมยืดหยุ่นล้วนๆ สามารถอธิบายได้ด้วยการประมาณสองระดับ: ในภูมิภาคยืดหยุ่นมีการเบี่ยงเบนเล็กน้อย สามารถละเว้นได้ในการประมาณครั้งแรก สามารถกำหนดได้โดยการวัดที่แม่นยำ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อเปรียบเทียบความเค้นใกล้กับขีดจำกัดความยืดหยุ่น กล่าวคือ การขยายไม่ได้เป็นเพียงหน้าที่ของแรงดันไฟฟ้าเท่านั้น แต่ด้วยวงจรโหลดแบบปิดและแรงดันไฟฟ้าเท่ากัน การขยายตัวจะเล็กกว่าเล็กน้อยระหว่างการขนถ่ายมากกว่าระหว่างการโหลดเสมอ การเบี่ยงเบนจากความยืดหยุ่นที่สมบูรณ์เช่น ความแตกต่างระหว่างการขยายตัวที่สอดคล้องกันที่ความเค้นเดียวกันเรียกว่าฮิสเทรีซิสแบบยืดหยุ่น หากวงจรโหลดถูกทำซ้ำบ่อยขึ้น จะได้แรงดันไฟฟ้าที่ไม่สูงเกินไป - ฮิสเทรีซิสแบบวงปิดหรือการทำให้หมาด ๆ สล. 8 แสดงลูปการหน่วงสำหรับค่าโหลด AC ต่างๆ ความกว้างของลูปจะเพิ่มขึ้นอย่างมากตามความสูงของแรงดันไฟฟ้า พื้นที่ของวงเป็นสัดส่วนกับงานเสียรูปซึ่งสูญเสียไปในแต่ละรอบและเปลี่ยนเป็นความร้อน นอกจากนี้ การเปลี่ยนรูปยังแปรผันไม่เฉพาะกับความสูงของแรงดันไฟฟ้าเท่านั้น แต่ยังขึ้นอยู่กับเวลาด้วย ซึ่งขึ้นอยู่กับความเร็วและวิธีการโหลด ส่วนหนึ่งของการเสียรูปซึ่งขึ้นอยู่กับเวลาเรียกว่าผลที่ตามมา ฮิสเทรีซิสและผลที่ตามมาเกิดขึ้นพร้อมกัน ตามกฎแล้วเหล็กเหล่านี้ไม่มีความสำคัญในทางปฏิบัติสำหรับเหล็กก่อสร้างประเภทเหล่านั้นที่เกิดขึ้นในโครงสร้างเหล็กที่อุณหภูมิห้อง

สล. 8

หมายเหตุการใช้งาน: การกำหนดวัสดุในอดีต สมมติฐาน แผนภาพ และขั้นตอนในข้อความไม่ควรใช้แทนมาตรฐานปัจจุบัน คุณลักษณะเฉพาะของผลิตภัณฑ์ แบบจำลองการคำนวณ และการตรวจสอบโดยผู้เชี่ยวชาญของการก่อสร้างโดยรวม