Важлива професійна примітка: Це архівний навчальний текст, а не поточна специфікація конструкції, статичний розрахунок, підтвердження вантажопідйомності або інструкції з виробництва та складання. Проект сталевих конструкцій повинен включати фактичні дії, з’єднання, стійкість, втому, вогонь, корозію та всі інші відповідні умови відповідно до чинних норм і стандартів, з відповідальністю уповноваженого проектувальника.
Проектування та будівництво сталевих конструкцій не є частиною поточної публічної пропозиції Savo Kusić. Сучасне виробництво складається з дерев’яних вікон, дерев’яно-алюмінієвих вікон і дверей на замовлення.
Сталеві конструкції мають спільну рису в тому, що вони в основному виготовляються з гарячекатаної сталі. З’єднання здійснюється за допомогою заклепок, шурупів або зварюванням. Сюди входять сталеві конструкції для мостів, будівель, промисловості та гірничодобувної промисловості, гідротехніки, стовпів, веж, резервуарів, у ширшому значенні, а також для кранів, суднобудування, котлів тощо. У центрі уваги наступних презентацій є розгляд основних понять.
Матеріали
Основним конструкційним матеріалом металоконструкцій є прокатні профілі зі сталі будівельної якості S235, S275, S355, S420, S450. Залежно від стандарту існує кілька різних типів конструкційної сталі, де число в класифікації зазвичай вказує на міцність сталі на розрив. Є кілька літерних символів, де в даному випадку S означає конструкційну сталь. Найпоширенішими формами є S, B (сталь для бетону, арматура) і Y (сталь для попереднього напруження).
Опори сталеві рулонні
Існує широкий асортимент сталевих профільованих опор і кожна має своє призначення, переваги і недоліки.
- U-профілі
- Двотаврові профілі з вузькими ніжками (IPE, IPN)
- I-профілі з широкими ніжками (HEA, HEB, HEM, HD)
- Порожнисті профілі/коробки (круглі, квадратні, прямокутні)
- Простирадла
- Вироби холодного формування (отримані шляхом холодної прокатки плоскої смуги та скручування плоскої смуги)
Кожен із цих профілів відрізняється формою, розмірами, призначенням тощо. Наприклад, існує понад 20 різних профілів IPN, які відрізняються розмірами; профілі більшого розміру можуть краще протистояти вигину (згину та бічному крученню), прогинам тощо.
Існує чотири класи сталі залежно від того, чи досягають вони межі текучості при збільшенні напруги, чи є аналіз пластичним чи пружним, яка здатність навантаження на поперечний переріз тощо, де перший клас є найкращим, а четвертий – найгіршим. Детальніше про структуру та міцність сталі можна прочитати тут.
Вирівнювання напруги та несучої здатності при постійному навантаженні
Несуча здатність. Розміри сталевих конструкцій визначаються таким чином, щоб виключити значні остаточні деформації. З іншого боку, несуча здатність у багатьох випадках жодним чином не вичерпується, коли найвища порівняльна напруга досягає межі текучості - тоді деформації зростають набагато швидше, ніж напруги. Для конструкційної сталі за межу закону Гука для загальних напружених станів можна прийняти ту ж залежність, що і при текучості. У разі однорідних напружених станів, які однакові в будь-якому місці, ніяких змін не відбувається при перевищенні межі пропорційності, за винятком того, що загальні деформації ростуть швидше, ніж напруження.
Вирівнювання напруги під час згинання. У разі згинання балки застосовується прямолінійний розподіл напруги згідно з гіпотезою Нав’є, поки крайова напруга σ=M/W не перевищить межу пропорційності. Поздовжні розширення ε = ε(σ). Це вірно принаймні для невеликих вигинів. Напруги, які вищі за пропорційні напруги, можуть зростати лише повільніше, ніж розширення ε. На рис. 1 показує розподіл напруги згину для заданої робочої діаграми та для різних значень розширення краю. Зона пропорційності (позначена колом на всіх лініях напруги) стає все меншою зі збільшенням розширення краю. Гранична напруга спочатку обмежується σF. Лише після дуже значних деформацій максимальне напруження підвищується вище σF, так що стає помітним вплив армування конструкційної сталі (випадок 5).
Мал. 1 - Вирівнювання напруги при згині
Вирівнювання піків напружень. Розподіл поздовжніх напружень по перерізу через середину отвору в одному натягнутому буровому стержні приблизно відповідає лінії 2 на рис. 2. Пік напруги σmax залежить від співвідношення d/b. Це переважно близько σmax = 2-3 σm, де σm = S/FM позначає середнє значення напруги розтягування в секції, ослабленій отвором на FM. Сл. 2 дійсний, доки стан напруги не перевищить P-ліміт. При більш високих навантаженнях, щоб досягти певного розширення, потрібні напруги, менші, ніж за прямолінійним законом, лише поблизу отвору. У найбільш напружених точках напруги будуть зростати не пропорційно S, а повільніше. На межі буде отримано приблизно рівномірний розподіл поздовжніх напружень σm = σf по всьому перерізу 2-2. Зсувними та поперечними напругами нехтували. Випадки вирівнювання напруг під час повільного збільшення сили S у стрижні доводять, що звичайний метод для сталевих конструкцій під дією статичного навантаження є виправданим, щоб не враховувати піки напруги під час визначення розмірів і порівнювати лише середнє напруження σm=S/Fm в ослабленій ділянці Fm з допустимим значенням.
Мал. 2
Процедура визначення розмірів відповідно до навантажувальної здатності
Зі збільшенням навантаження відбувається вирівнювання напруги на ділянці. При цьому напруги перегруповуються від найбільш напружених частин перерізу до менш напружених. Поки деформації не настільки великі, що їх потрібно враховувати при встановленні умов рівноваги, цей процес не може нічого змінити на величину впливу S, M тощо для статично визначених структур.
Безперервні та каркасні опори: за припущенням закону Гука, лінія моменту, показана під a, отримана для однієї суцільної опори постійного перетину (рис. 3). Напруги згину пропорційні згинальним моментам M. Якщо обидва навантаження збільшуються однаково, P-межа спочатку буде перевищена на середній опорі B. Межа опору досягається, коли граничний момент MDF також досягається в полі. У випадку балки, затиснутої з обох боків постійного симетричного перетину зосередженою силою (рис. 4), вирівнювання моментів існує з самого початку. При перевищенні P-ліміту розподіл моменту не змінюється. Навпаки, у випадку рівномірно розподіленого навантаження (рис. 5) вирівнювання моментів призводить до зменшення моменту защемлення від -2/3 Mo до -1/2 Mo.
Мал. 4
Мал. 3 тощо. 5 відповідно: згинальні моменти: а) до, б) граничний стан після перегрупування сил; а) до, б) після вирівнювання моменту
Гратчасті конструкції: при внутрішньо статично невизначених фермах спостерігаються такі ж залежності, як і при каркасних конструкціях. Вторинними напруженнями, пов’язаними з жорсткими на вигин вузлами, при оцінці несучої здатності в першому наближенні можна знехтувати. Пластифіковані секції діють подібно до з’єднань, так що статична дія балки при граничному навантаженні, яку вона ще може витримати, ближче до ідеальної ферми зі з’єднаннями у вузлах. У випадку конструкцій з часто повторюваними навантаженнями, в яких слід враховувати явища втомної міцності, тому існують значні сумніви щодо врахування вирівнювання сил під час визначення розмірів. Навпаки, практичне значення має зробити висновок про вплив зміщення опор. Оскільки робоча міцність окремих елементів конструкції залежить тільки від меж напружень, а не від величини сумарних деформацій, то переміщення опор не впливають на несучу здатність.
Змінне навантаження: припущення про постійне навантаження реалізується рідко. Для мостових балок є змінні стани навантаження. Припущення про розподіл зусиль і напружень в окремих елементах конструкції, які спрощують, поширені в практичній роботі зі сталевими конструкціями, відповідно до попереднього вони виправдані за звичайних обставин. Це особливо актуально для нехтування локальними піками напруги. Не можна рекомендувати застосовувати метод визначення розмірів за вантажопідйомністю при (динамічному) втомному навантаженні. Таким чином, процедура визначення розмірів відповідно до навантажувальної здатності обмежена випадком переважно статичних навантажень, особливо для будівельних конструкцій. В інших випадках, коли слід звернути увагу на появу втоми, значні деформації необхідно виключити і взяти за основу теорію пружності. При цьому слід прагнути до достатньо великої відстані від межі текучості. Тоді міцність конструкційної сталі забезпечує додаткову безпеку.
Змінний наголос
Холодне розтягування та старіння: На рис. 6 була застосована лінія розширення напруги круглого стержня, який піддавався змінним напругам розтягування та стиску. Окремі процеси завантаження позначаються номерами відповідно до їх порядку. Пружні розширення, які повертаються після розвантаження, також виникають після великих розтягнень пропорційно напруженням. При зміні знака напруги Р-межа майже повністю зникає. Тому пружні властивості конструкційної сталі, витягнутої в холодному стані, не узгоджуються з початковими значеннями. Залежно від попередньої обробки можуть бути показані досить значні відмінності.
Мал. 6
Поряд з цим з’являється більше ознак старіння. Цей термін включає всі зміни властивостей, які відбуваються з часом без зовнішнього впливу. Старіння при розтягуванні можна спостерігати після остаточної деформації шляхом холодного розтягування. Якщо постійно розтягнуті випробувальні зразки залишити на деякий час без навантаження при кімнатній температурі, міцність на розрив і, меншою мірою, міцність на розрив підвищуються вище початкового значення, тоді як подовження при розриві зменшується (рис. 7). Процес старіння триває кілька днів, але скорочується до кількох годин або лише хвилин, якщо конструкційну сталь нагріти приблизно до 300 oC. Слід також зазначити, що розтяжне старіння відбувається одночасно з розтягуванням, якщо це відбувається при темп. 200 – 400 oC, тобто в зоні синього світіння.
Мал. 7 - а) розтискна лінія двонавантаженого стрижня; б) лінія розширення стержня, витягнутого в холодному стані
Подальша дія та гістерезис: У повністю еластичному матеріалі існує однозначна взаємна залежність між напругою та станом деформації, так що певні напруги завжди відповідають однаковим деформаціям і навпаки. При заданому законі пружності деформації не залежать від часу, що минув з моменту прикладання навантаження, а також не від способу прикладання навантаження. Відхилення від чисто пружної поведінки можна описати двома ступенями наближення: в пружній області спостерігаються малі відхилення; ними в першому наближенні можна знехтувати. Їх можна визначити шляхом точних вимірювань, особливо при порівнянні напруги ближче до межі пружності. А саме, розширення є не тільки функцією напруги, але при замкнутому циклі навантаження та тій самій напрузі воно завжди трохи менше під час розвантаження, ніж під час навантаження. Відхилення від повної еластичності, тобто. різниця між відповідними розширеннями при однакових напругах називається пружним гістерезисом. Якщо цикл навантаження повторюється частіше, це виходить при не дуже високих напругах - замкнутий контур гістерезису або затухання. Сл. 8 показує контури демпфування для різних значень навантаження змінного струму. Ширина петель сильно збільшується з висотою напруги. Площа петлі пропорційна роботі деформації, яка втрачається при кожному циклі і перетворюється в тепло. Крім того, деформації змінюються не тільки з висотою напруги, але і з часом, вони залежать від швидкості та способу навантаження. Частина деформації, яка залежить від часу, називається післядією. Гістерезис і післядія виникають одночасно. Як правило, вони не мають практичного значення для тих видів будівельних сталей, які зустрічаються в металоконструкціях при кімнатних температурах.
Сл. 8
Примітка щодо застосування: Історичні позначення матеріалів, припущення, діаграми та процедури в тексті не повинні використовуватися як заміна поточних стандартів, конкретних характеристик продукту, розрахункової моделі та експертної перевірки загальної конструкції.