Konstrukcje metalowe w pigułce - semestr VII

SPAWANIE

Jest to najtańsza forma łączenia stali. Najlepiej gdy odbywa się w wytwórni gdyż wtedy odp. ochrona antykorozyjna i odp. dokładność wykonania spoin. Spoiny należą do typu połączeń strukturalnych czyli obciążenie z jednego elementu na drugi odbywa się za pomocą sił wiązań międzycząsteczkowych.

Rodzaje spawania:

> elektryczne: źródłem ciepła jest łuk elektryczny, elektroda bezpośrednio

nie dotyka metalu, musi być izolacja powietrza, metal z elektrody współtworzy spoinę

> gazowe: wysoką temperaturę zapewnia spalanie się gazu (tlen czysty,

acetylen), jest bardziej skomplikowane i przez to mniej stosowane

Podział w zależności z jakiego materiału wykonana jest elektroda:

♦ nietopliwe: na przykład wolframowe elektrody, mają wyższą temp

topnienia od metalu

♦ topliwe: współtworzą spoinę, zmniejszają swoją długość elektrody

Technika spawania:

■ ręczne - potrzebny jest człowiek, jest odp. za wszystko, za wypuszczanie

drutu z elektrody i za przesuwanie elektrody, takie spoiny mogą być grubsze i mniej estetyczne.

■ półautomatyczne - też jest potrzebny człowiek, ale ma pewne

usprawnienie gdyż drut wysuwa się automatycznie z zadaną prędkością {reputacja), a człowiek reguluje przesunięcie wzdłuż spoiny, bardzo chętnie stosowany rodzaj spawania.

■ automatyczne - automat sam reguluje prędkość wysuwania drutu i przesuwania, wychodzi dokładnie, jednolita spoina, przy dużych (długich) spoinach ma to zasadnicze znaczenie, stosowany powszechnie w wytwórniach.

Podział ze względu na funkcje:

> nośne - trzeba obliczyć, przenoszone obciążenie,

> szczepne - szczepiają elementy, nie przenoszą obc, łączą zabezpieczają,

> montażowe -gdy nie można zastosować śrub, wykonywane na budowie; trzeba ograniczyć do minimum bo są słabsze niż w wytwórni i nie mają takiej ochrony antykorozyjnej

> warsztatowe - robione w wytwórni.

Spoiny przerywane: opłaca się przy spawaniu ręcznym aby zaoszczędzić materiał i czas, a nie zależy na estetyce i wiadomo, że przeniosą siły; przy automatach są nieekonomiczne bo trzeba nagrzewać automat, nie stosujemy przy obciążeniach dynamicznych, przy skokowej zmianie sztywności i w miejscach występowania dużych naprężeń..

Podział ze względu na konstrukcje spoin:

> czołowe -układane najczęściej w przygotowanych rowkach (ukosowane

brzegi łączonych elementów),

> pachwinowe -układane w naturalnych rowkach, utworzonych pomiędzy

elementami łączonymi, -

> grzbietowe - do łączenia cienkich elementów, bez ukosowania,

> otworowe - bruzdowe - szczególny przypadek pachwinowych spoin

wykonanych w przygotowanych uprzednio rowkach i bruzdach.

Wymagania konstrukcyjne dla spoin:

=> przy wymiarowaniu są dwa parametry: grubość i długość,

=> długość jest pomniejszona o 2 kratery, można stosować tzw. blaszki wybiegowe po obu stronach i wtedy będą równe długości spoiny, a po zakończeniu spawania blaszki się usuwa.

=> grubość jest to wielkość cieńszego elementu dla czołowych i dla pachwinowych

=> styki montażowe muszą być pod kątem prostym do osi spoin,

=> w przypadku przekrojów walcowanych nie robi się spoin w narożach z uwagi na silne lokalne spiętrzenia naprężeń własnych spawalniczych i walcowniczych mogących inicjować w czasie eksploatacji kruche pęknięcia.

=> dla przekrojów zimnogiętych można w zaokrągleniach pod warunkiem

=> należy unikać krzyżowania się spoin i zbytniego skupienia (10mm) bo wtedy może nastąpić utłuczenie

=> generalnie środek ciężkości spoin powinien pokrywać się ze środkiem ciężkości łączonych elementów lub z osią chociaż..

Wady spoin:

> wewnętrzne:

- obce zanieczyszczenia (kawerny),

- wewnętrzne pęknięcia,

- rozwarstwienia,

- niewypełnienie grani,

- najgorsze gdy zmniejsza się szerokość.

> zewnętrze:

- brak przetopu, między spoiną a mat spawanym,

- nadmierny przetop, który osłabia złącze spawane,

- pęknięcia, powinny być wycięte i ponownie zespawane,

- wypłynięcia z grani,

- podtopienie brzegów, między spoiną a mat łączonym powstaje jedna lub 2 bruzdy,

- wklęsłość spoin ->spoina słabsza, mniejszy przekrój...

ELEKTRODY Podstawowy podział:

> otulone - drut jest obtoczony dodatkowym metalem gdyż podczas spawania

tlen może się łączyć z metalem i osłabić w efekcie połączenie i aby temu zaradzić jest otulina. Podział ze względu na grubość otulenia:

=> grubo-otulone - 40% grubości elektrody ,

=> średnio = 10-40% grubości elektrody,

=> cienko =grubości elektrody <10%

Dodatkowo przed dostępem tlenu może chronić specjalnie dobrany proszek rozsypany w miejscu spoiny, szczególnie stosowany przy automatach.

> nieotulone - trzeba zapewnić zabezpieczenie przed dostępem tlenu czyli

stosujemy w tym celu nadmuch gazu np. C02.

Rodzaje elektrod:

- kwasowe - pH <7- A (acid),

- zasadowe - pH>7- B,

- rutylowe R,

- utleniające O (oxygen) ,

Oznaczenia elektrod:

ER(met) 1.46

1-pozycja - rodzaj elektrody,46 - R_M = 460 [MPa], met - metylowe,

E431 RR 24

43 - R_m = 430 - 450 [MPa] , RR - metylowe, 2-poz, 4-wielkość napięcia Sp1 GD -drut do spawania Elektrody 60cm = > ścieg skokowy.

SPOINY CZOŁOWE:

♦ do spoiny trzeba przygotować krawędzie (zeszlifować)

♦ następuje przetopienie mat. na wielkości 2-3mm, bez zmiany struktury aby

metal połączył się ze spoiną.

♦ typy spoiny czołowej: I, V, Y, U, 1/2Y, X

gdy różne grubości blachy

Δt<t, Δt<10mm,

Δt>t, Δt>10mm,

♦ a = współczynnik wytrzymałość spoin:

10% dla montażowych,

20% dla pułapowych,

30% dla montażowych i pułapowych.

♦ warunek nośności :

,gdzie:

■ σ,T - naprężenia w stanie sprężystym

■ α_┴

=> α_┴=1-0,15ν - rozciąganie - (ν= σ_śr/σ_max)

=> α_┴=1 - ściskanie/zginanie, 1-0,15ν - rozciąganie

■ α_II = 0,6 - ścinanie

- grubość zawsze cieńszej blachy, długość = długość elementu,

- spotyka się wykonanie spoiny na podkładce skokowej aby grań była dobrze wypełniona.

- powyżej a = 6mm robimy wielowarstwowe spoiny.

SPOINY PACHWINOWE:

♦ ich kształt narzucony przez złożenie elementów: płaska, wklęsła, wypukła,

niesymetryczna płaska,

♦ oznaczenie spoin P - spoina montażowa, >dwustronna, ciągła, wokół

elementu, 4x150=axl=gr*długość,

♦ nie można sprawdzić spoiny metodą rentgenowską i dlatego badamy

ultradźwiękami,

♦ warunek nośności

, gdzie:

- współczynnik redukcyjny

=>
=0,7 Re<255 [MPa]

=>
=0,85 Re=255-335 [MPa]

=>
=0,9 Re = 335-460 [MPa]

♦ przygotowanie do spawania polega na dokładnym oczyszczeniu miejsca

wykonywania spoiny (szlifowanie, odtłuszczanie),

♦ długość spoiny (sumaryczna długość spoin II gdziei 10a<li<100a, li>40mm, li>b

♦ grubość:

0,2 * tmax ≤ a ≤ 0,7 * tmin gdzie:

graniczne wartości tmin = 2,5 mm, tmax = 16 mm

♦ jeżeli b ≥ 8mm to spoina warstwowa....

♦ w połowie zakładów można stosować wyłącznie spoiny podłużne pod
warunkiem, że długość każdej z nich jest nie mniejsza niż odstęp między nimi,
a odstęp nie przekracza 30-sto krotnej grubości cieńszego elementu, w
przeciwnym razie należy stosować spoiny podłużne lub spoiny w otworach

BELKI

Głównym zadaniem belek jest przeniesienie obciążeń poziomych, prostopadłych do osi. Główne naprężenia: moment zginający i siłą tnąca,

rozpiętość obliczeń należy przyjmować = osiowemu rozstawowi podpór. Jeżeli punkty podparcia nie są ustalone to: dla jednoprzęsłowych belek obustronnie podpartych lo=1,05l, wysokość belki to h=(1/20+1/25)*l

Rodzaje belek:

■ walcowane - najbardziej powszechny jest dwuteownik ze względu na korzystny

rozkład masy ->duży rdzeń,

■ belki wykonane na liniach technologicznych - IPN, IPE,

■ blachownica - elementy powstają w wytwórni (spawane, nitowane),

■ belki cienkościenne gięte z blachy

Podział ze względu na

♦ kształt przekroju poprzecznego:

> bisymetryczne I,

> monosymetryczne C,

> niesymetryczne L.
♦ gatunek stali:

> homogeniczne 1gat,

> hybrydowe z różnych gatunków,

> belki zespolone = stal +beton

♦ zastosowanie w konstrukcji:

- płatwie,

- rygle,

- krokwie,

- podciągi,

- żebra,

- belki pośrednie -

- belki stropowe i podsuwnicowe,

♦ schemat statyczny:

- belki statyczne wyznaczalne(jednoprzęsłowe, wsporniki),

- belki statycznie niewyznaczalne (wieloprzęsłowe)

Belki stropowe: przeważnie element walcowany na gorąco, tam gdzie możemy to go stosujemy. Maksymalna długość to 8 - 9 [m] a standard to 6m. h = L(1/20-1/25),

lo = 1,05L - długość obliczeniowa dla belki wolnopodpartej,

lo = 1,025 dla belki jednostronnie utwierdzone .

Podciągi: inaczej blachownice, przeważnie spawane, przekroje walcowane nie są w stanie przenieść obciążenia: trzeba coś większego; można max wykorzystać przekrój,

Tok obliczeń:

1)ustalenie rozpiętości obliczeniowej i sposobu podparcia,

2)wyznacz obliczeniowej wartości V i M,

3)określenie potrzebnego wskaźnika wytrzymałości,

4)dobór właściwego profilu z tablic kształt,

5)sprawdzenie war wytrzymałości,

6)sprawdzenie wartości sztywności,

7)sprawdzenie ogólnej stateczności

Zwichrzenie - stateczność globalna

Zjawisko to związane jest z statecznością globalną ściskanego pasa belki zginanej. Możliwość zwichrzenia zwiększa się w miarę wzrostu sił w półce ściskanej do wartości krytycznej. Wybocz następuje w kierunku poprzecznym, do tego skręcenie przekroju. Tendencja do zwichrz wzrasta wraz ze wzrostem stosunku momentów bezwładności - Ix/Iy..

zabezpieczenie:

- obetonowanie górnego pasa,

- rozbudowanie górnego pasa,

- usztywnienie żebrami poprzecznymi,

Φ_L - współczynnik zwichrzenia Φ_L (
) - korelacja na podstawie tablicy 11 P

lub na podstawie wzoru
- n - uogólniony parametr imperfekcji

- smukłość względna przy zwichrzeniu

Φ_L = 1 - zabezpieczona belka przed zwichrzeniem,

Lokalna stateczność

Współczynnik niestateczności miejscowej wyznaczamy dla przekrojów kl. 4, więc dla środników o smukłościach względnych większych niż

,gdzie:

=> b, t - szerokość i grubość ścianki

=> K - współczynnik podparcia i obciążeń ścianki - tablica 8 w PN - 90/B-03200

Przyporządkowanie do danej klasy przekrojów odbywa się na podstawie modelu statycznego(obustronne podparcie, wspornik) i stanu naprężeń w danym przekroju (równomierne ściskanie bądź rozciąganie i ściskanie )

Niestateczność lokalna polega na zniekształcenie przekroju poprzecznego poszczególnych elementów zginanych - dotyczy kształtowników znajdujących się w klasie 4 i środniki elementów spawanych obciążone siłą skupioną,

Utrata stateczności miejsc może wystąpić w postaci:

> ścięcie na podporze,

> uplastycznienie w miejscu max momentu,

> ścięcie w miejscu przyłożenia siły skupionej.

klasy przekrojów:

♦ klasa1 - przekrój może osiągnąć nośność przegubu plastycznego, występuje

równomiernie rozłożenie naprężeń

♦ klasa2 - przekrój może osiągnąć nośność przegubu plastycznego, przekrój

staje się niestabilny i nie ma równomiernego rozłożenia naprężeń,

♦ klasa3 - nośność można wykorzystać w 100%, nie spodziewamy się utraty

lokalnej stateczności,

♦ klasa 4 - może nastąpić utrata stateczności lokalnej, oszczędzamy na materiale, ale tracimy na nośności.

Szczegół podparcia belki a≤15+h/3 -> jeżeli a = 15+h/3 to rozbudowa... zmiana grubości pasów:

-może być zmiana grubości przy stałej szerokości, -może być stałą grubość ale zmiana szerokości półki.

żebra podporowe poprzeczne: ich zadanie: zapewnić niezmienność konturu poprzecznego belki -wprowadzić równomiernie na całej wysokości siłę skupioną w środnik , wymuszać pionową linię węzłową postaci wyboczonej srodnika elementy ściskane więc:

N/ΦNrc≤1

żebra podporowe podłużne:

- w rejonie ściskanego pasa środnika,

- w rejonie maksymalnego momentu,

SŁUPY

słup -ściskany element konstrukcyjny, którego długość jest o rząd wielkości większa od przekroju poprzecznego. Służą do przekazywania obciążeń od wyżej położonych konstrukcji na niżej położonych lub na grunt poprzez fundament .

Schematy statyczne:

> słupy zamocowane w fundamencie (drugi koniec swobodny), przenoszące na

fundament siły pionowe, poziome i moment zginający

> słupy zamocowane w fundamencie, a u góry podparte przegubowo,

przenoszące na fundament siły pionowe i momenty. Siły poz część na fund, część na przegub.,

> słupy z przegubami stałymi u dołu i u góry,

> słupy obustronnie zamocowane,

Podział słupów ze względu na

Rodzaj obciążenia:

ściskane osiowo/mimośrodowo,

rozciągane,

ściskany i rozciągany,

Przekrój poprzeczny:

pełnościenny,

wielogałęziowy połączony przewiązkami lub wyratowaniem ,

cienkościenne monosymetryczne o przekrojach otwartych

Tok obliczeń:

1) zestawienie obciążeń charakterystycznych przypadających na słup, dobranie

odpowiednich współczynników obciążenia,

2) przyjęcie kształtu przekroju słupa i wstępne opracowanie pola przekroju,

3) dobranie konkretnego kształtownika z tablic i ustalenie i ustalenie klasy

przekrojów,

4) przyjęcie lub obliczenie I wielkości statycznych przekroju,

5) ustalenie współczynnika długości wyboczeniowej //i obliczenie smukłości/l,

6) przyjęcie współczynnika (f> dla maksymalnej smukłości słupa,

7) sprawdzenie warunku bezpieczeństwa,

8) sprawdzenie wyboczenia giętno - skrętnego (1oś symetrii) jeśli słup jest

z kształt walcowanego lub istnieje możliwość utraty stateczności miejscowej półek oraz środnika słupa (kl. 4) i ewentualne zaprojektowanie żeber poprzecznych.

Długość wyboczeniowa: l_w = μ*l_rz

Przewiązki: zapewniają sztywność słupa wielogałęziowego, spoiny:

pachwinowe(najczęściej) , czołowe, śruby. W słupie wielogałęziowym

sprawdzamy wyboczenie i przewiązki, a w słupie pełnościennym tylko
wyboczenie -przewiązek brak.

Wyboczenie: utrata stateczności ogólnej elementu ściskanego, wyginanie się elementu pod obciążeniem krytycznym.

Głowica: ma za zadanie przejąć nacisk konstrukcji opartej na słupie i przekazać to obciążenie w sposób osiowy na jego trzon., jej kształt zależy od przekroju poprzecznego słupa oraz typu łożyska i konstrukcji połączenia trzonu z elementem podstawy.

Podstawa: ma za zadanie przejąć obciążenie ze słupa na fundament, element

podstawy należy sytuować symetrycznie względem osi słupa

pręty

giętne, gdy przekrój poprzeczny ulega przesunięciu,

giętno-skrętne - gdy pierwotnie prosta oś pręta ulega zakrzywieniu, przy

czym przekrój poprzeczny pręta ulega przesunięciu i obrotowi. -

skręceniu, gdy oś pręta pozostaje prostą po odkształceniu a przekrój

poprzeczny jako całość ulega jedynie obrotowi.

HALE

najczęściej mamy hale gdzie stosuje się elementy zginane/ściskane.

Ramy stężone: ramy można uznać za sztywno stężoną (nieprzesuwną) jeśli sztywność postaciowa układu "ramię + stężenie” jest co najmniej pięciokrotnie większa niż sztywność postaciowa ramy bez stężeń.

Typowe schematy statyczne hal:

1) fundament musiał przenieść moment i połączenie słupa z fund było masywne,

-najpierw stawiano słupy a potem dach,

2) nie trzeba dużego fundamentu bo jest przegub, -usztywnienie = połączenie

sprężone co najmniej klasy 8.8

Budowa słupów: najczęściej kształtowniki walcowane na gorąco, ale nie HEB, jest jednakowy przekrój stosowany na całej wysokości, aby nie było zwichrzenia stosuje się zastrzały albo powiększamy stopę słupa. Czasami gdy można, to się zmniejsza przekrój w wytwórni i zyskujemy więcej miejsca wewnątrz,.

Budowa stopy do przenoszenia dużych obciążeń: śruba młoteczkowa, szklanki,

Obudowane hale:

♦ płyta warstwowa: spienione tworzywo, -łączy blachy, zapewnia izolację, ,

długość ok. 10m, na ścianie przymocowane za pomocą rygli, a na dachu za pomocą płatwi. - z punktu widzenia czynności, płyty nic nie wnoszą do konstrukcji, nie stanowią tarczy i nie odpowiadają za stateczność.

♦ blacha trapezowa:

- może być jedna tarcza(połączona sztywno do rygli),

- można dać płatwie albo bez, jak nie ma płatwi to trzeba gęściej zrobić ramy i

- trzeba wyliczyć co się bardziej opłaca

- na blachę trapezową jeszcze blacha płaska żeby woda swobodnie spływała,

- zaczynamy układanie od dolnej krawędzi i idziemy zakładem do góry,

- przy małym nachyleniu i silnym wietrze może woda się cofać i dlatego dajemy

uszczelkę,

- parametry blachy trapezowej: wysokość fali, wymiar fali, np. T55x180x1(2)

♦ kasety: układane poprzecznie, przeważnie na ściany, -długości 6m ->wystarczy do połączenia ram, których nie można połączyć blachą trapezową bez podparcia, -norma nic nie mówi, więc można traktować kasety jako tarcze bo nie są połączone

STĘŻENIA:

Musi być tarcza, może być pokrycie z blachy trapezowej ściana murowana, wylana ścianka żelbetowa, ale prościej jest zrobić to z prętów-> koszty w konstrukcji minimalny, ale bardzo istotne ze względu na sztywność -> 1/2 sztywności na słupki ściany sztywnej, 1/2 sztywności na stężenia,

>stosujemy dwa pręty bo wiatr może zmienić kierunek i do regulacji śruba rzymska.

>stosujemy max co 8 pól,

>jeśli jest więcej pól możemy przesunąć, ale musi być przesunięcie stężeń i na

dachu -> żeby nie robić trzecich stężeń i obniżyć koszty.

>często wydłużamy halę o wielkość stężeń prze wydłużenie płatwi, zyskujemy

dodatkową powierzchnię hali.

>stężenie musi przenieść: obciążenie, wiatrem ściany szczytowej i/lub boczną

siłę) 0,03Ny)

>stężenia podłużne, gdy są ramy co 12m,

>stężenia pionowe - stosowane przy kratownicach, nie mogą być rzadziej niż

co 15m i od ściany pionowej też nie więcej niż 15m.

KRATOWNICE:

Geometrycznie niezmienny układ prętów. Gdy l/h>10 pręta to nie uwzględnia się zginania,

Teoretyczne założenia projektowe:

1) zakłada się, że wszystkie elementy kratownicy leżą w jednej płaszczyźnie,

także obciążenie działają w tej płaszczyźnie, pręty proste

2) pręty połączone są w węzłach współśrodkowo, czyli ich osie środków ciężkości przecinają się w jednym wspólnym punkcie (nie ma mimośrodów i dodatkowych momentów zginaj w węzłach),

3) węzły traktowane obliczeniowo jako przeguby,

4) osie środków ciężkości tworzą zarys geometryczny dźwigara kratowego

5) kratownice wymiaruje się tylko z uwzględnieniem sił wewnętrznych I rzędu, pomija się

wpływ przemieszczeń węzłów na nośność pręta,

6) w prętach powstają tylko siły osiowe,

7) pas górny lub dolny może być obciążony między węzłami siłami skupionymi lub równomiernie rozłożonymi.

Rodzaje kratownic:

1- płaskie - typowe, stosowane w halach,

2- przestrzenne -trójkątne przekroje gdy siły ściskające u góry, a na dole nie potrzeba; słupy wysokiego napięcia (czworokąt)

Zastosowanie kratownic:

- rola kratownic zmalała po wprowadzeniu tanich belek,

- konstrukcje lekkie (płatwie, dźwigary o małej rozpiętości),

- konstrukcje ciężkiej budowli przemysłowej (więzary dachowe, belki

podsuwnicowe, mosty, łuki, ramy),

Wady i zalety:

Ekonomiczne

Duża nośność,

mała masa

sztywne,

łatwość doboru kształtu,

pracochłonne wykonanie,

Rodzaje wiązarów kratowych:

trójkątny,

trapezowy,

prostokątny,

krzywoliniowy,

dwutrapezowy,

Krzyżulec =ma działać na rozciąganie ->jest dłuższy od słupków i to się opłaca

Typy skratowania:

V - a=30°-60°,

N

K (stężenia dachowe)

X (stężenia).

Kształtowanie wiązarów kratowych:

1) ustalenie pokrycia - spadki rzędu kilku %, mamy kąt nachylenia,

2) pokrycie dachowe należy położyć na płatwiach

3) wysokość w kalenicy

Hk =(1/6÷1/12)xL gdzie

L -rozpiętość kratownicy,

4) dolny pas pozostaje w poziomie.

Płatwie dachowe:

• jeśli dajemy dwuteownik walcowany na gorąco to spora nośność i ciężar, to

dociąża kratownicę i przenosi ciężar na węzły.

• jeśli kształtowniki gięte na zimno to mniejsza nośność i ciężar i czasami

trzeba dać słupki żeby lepsze podparcie.

• na gorąco,

• na zimno wg zaleceń producenta w zależności od obciążeń.

Rodzaje pokryć kratownicy:

płyta warstwowa,

blacha trapezowa czyli jak dla hali, kiedyś stosowano płyty panwiowe, lub

korytkowe(ciężkie i zbędne),

Siły w kratownicy:

♦ siły w krzyżulcach największe są w obrębie podpory i maleją ku środkowi

♦ siły w słupkach są stałe (zależą tylko od reakcji z płatwi dachowej)

♦ siły w pasach największe w środku i maleją ku podporze.

Projektowanie:

- Pręty rozmieszczamy symetrycznie względem osi pionowej,

- 45x45x5- najmniejszy kątownik w kratownicach

- pręty powinny dochodzić jak najbliżej środka węzłów,

- w węźle ściskanym pręt ściskany dochodzi do samej podpory, a pręt

rozciągany dopiero do niego.

- na pasy górne dwa ceowniki,

- na krzyżuIce -> HEB, dwuteowniki, ceowniki.

---