1.KONSTRUKCJE METALOWE - obiekty budowlane, w których głównymi ustrojami nośnymi przekazującymi obciążenia na fundament lub konstrukcję wsporczą są wyroby lub zespoły wyrobów ze stali lub aluminium Grupy konstrukcji metalowych: - konstrukcje prętowe-słupy, belki, łuki, kratownice( np. szkielety budynków, ustroje kratownicowe przekryć dachowych, mosty, maszty, wieże) - konstrukcje wiszące prętowo-cięgnowe(przekrycia o dużych rozpiętościach, mosty) - konstrukcje powierzchniowe-z blach stalowych w postaci płyt i powłok (zbiorniki, kominy) Zalety konstrukcji metalowych: - lekkość konstrukcji - krótki cykl w montażu, łatwy transport elementów - odzysk zużytego tworzywa po okresie eksploatacji - łatwość modernizacji istniejących konstrukcji - możliwość pełnego uprzemysłowienia produkcji - szybka rozbiórka uszkodzonej konstrukcji - korzystne właściwości stali jako materiału konstrukcyjnego Wady konstrukcji metalowych - wrażliwość na korozję i wysokie temperatury(możliwość eliminacji przy projektowaniu) 2. STAL JAKO MATERIAŁ KONSTRUKCYJNY Stal-stop żelaza(Fe) z węglem (C) (C<2%) i innymi pierwiastkami, obrabiany plastycznie i otrzymywany w procesach stalowniczych Zalety stali jako materiału konstrukcyjnego: -wysoko i zbliżona wytrzymałość na rozciąganie, ściskanie, ścinanie i zginanie -ciągliwość plastyczna(możliwość gięcia, prostowania, skręcania, walcowania) -jednorodność (jednakowe właściwości we wszystkich kierunkach) -spawalność(łatwe łączenie) -wysoki moduł sprężystości E(stały dla wszystkich gatunków stali) Wady stali jako materiału konstrukcyjnego -brak odporności na wysokie temperatury -korozja(istnieją stale nierdzewne) -wysoka przewodność cieplna -ulega zmęczeniu materiału Właściwości stałe stali budowlanych -ciężar γ=7850kg/m3 -moduł sprężystości podłużnej E=205GPa(PN)/210GPa(EN) -moduł sprężystości poprzecznej G=80GPa(PN)/81GPa(EN) - współczynnik Poissona ν=0,3(PN/EN) Produkcja stali Proces produkcji stali polega na dwustopniowym przerobie rudy żelaza na stal surową. Pierwszy etap produkcji odbywa się w wielkim piecu i polega na redukcji żelaza jako pierwiastka z tlenowych związków rud i oddzieleniu go od tzw. Skały płonnej. Produktem tego procesu jest surówka żelaza. Drugi etap odbywa się w piecach martenowskich, elektrycznych lub konwertorowych i polega na usuwaniu z surówki domieszek do granic wymaganych, a zanieczyszczeń do granic dopuszczalnych. Proces odbywa się w warunkach utleniających, a produktem końcowym jest stal. Właściwości wytrzymałościowe stali-obrazuje wykres będący wynikiem statycznej próby rozciągania (stal niskowęglowa)(WYKRES) Formy zniszczenia elementów stalowych: -zniszczenie plastyczne-pokonanie spójności materiału w płaszczyznach poślizgu -zniszczenie kruche-gdy obciążenie wywoła w płaszczyznach sieci naprężenia przekraczająca spójność materiału Zmęczenie materiału Konstrukcje stalowe znajdujące się pod obciążeniem zmieniającym w pewnych okresach swoją wartość, ulegają zniszczeniu przy naprężeniach znacznie mniejszych od naprężeń występujących przypadku obciążeń stałych Rodzaje zmęczenia: -wysokocykliczne(w zakresie sprężystym) -niskocykliczne(przy odkształceniach plastycznych) 3. GATUNKI STALI BUDOWLANEJ Podział stali ze względu na skład chemiczny: - węglowa - główne składniki: żelazo i węgiel - stopowa - oprócz żelaza i węgla zawiera dodatkowe składniki dodawane w celu uzyskania kreślonych właściwości. Podział stali węglowej ze względu na zawartość węgla: - wysokowęglowa - C > 0,6% - średniowęglowa - C = 0,25% - 0,6% - niskowęglowa - C < 0,25% Podział stali stopowej ze względu na zawartość dodatków: - niskostopowe - do 2,5% składników stopowych - średniostopowe - składniki stopowe od 2,5% do 5% - wysokostopowe - ponad 5% składników stopowych - mikroskopowe - z rozdrobnioną strukturą cząstkową, polepszone właściwości mechaniczne Oznaczenia stali węglowej (niestopowej) wg PN: St4VX St - stal węglowa znak gatunku stali odmiana: st.uspokojenia (0,3,4,5,6,7-w zależności S-podstawowa X-nieuspokoj. od składu chemicznego V-ograniczona Y-półuspokoj. i właściwości mechanicznych zawartość węgla -bez oznaczen W-bardziej ograniczona ->uspokojona ilość węgla Oznaczenia stali stopowych wg PN: 18G2AV średnia pierwiastki stopowe: procentowa dodatkowe cechy:
zawartoś G-mangan zawartość X-nieuspokojona
węgla S-krzem pierwiastka Y-półuspokojona
w 0,01% H-chrom stopowego V-dodatek wanadu
N-nikiel
Cu-dodatek miedzi
M-molibden
Oznaczenia stali wg EN S235 -> minimalna wartość granicy plastyczności Klasy jakości stali -jakość podstawowa(bez oznaczeń) -jakość podwyższona(oznaczenia L,L1,L2) Procesy podwyższania jakości stali: -walcowanie termomechaniczne(oznaczenie M) -wyżarzanie normalizujące(oznaczenie N) -hartowanie i odpuszczanie(oznaczenie Q) Miarą jakości stali jest praca łamania-praca uzyskana w badaniu udarności w próbie Charpyego z karbem typu „V” Praca łamania jest funkcją temperatury (WYKRES) Temperaturze pokojowej stal ma dużą ciągliwość i potrzeba wielkiej siły,aby doszło do kruchego pęknięcia.W niskich temperaturach wystarczy znacznie mniejsza siła aby materiał pękł. (wykres wygląda jak funkcja sinus hiperboliczny) Klasy jakości stali niestopowej(węglowej): -S235: JR,JO,J2 -S275: JR,JO,J2 -S355: JR,JO,J2 -S450: JO Klasy jakości stali stopowych: -ulepszanych w procesie wyżarzania normalizującego: S275N S275NL N-jakość podstawowa S355N S355NL NL-jakość podwyższona S420N S420NL S460N S460NL -ulepszanych w procesie walcowania termomechanicznego: S275M S275ML M-jakość podstawowa S355M S355ML ML-jakość podwyższona S420M S420ML S460M S460ML -ulepszanych w procesie hartowania i odpuszczania: S460Q S460QL S460QL1 Inne gatunki stali -stale trudnordzewiejące S235JOW S235J2W
|
-stale stosowane na rury: S253JRH S275JOH S275J2H S355JOH S355J2H S355K2H S275NH S275NLH S355NH S355NLH S420NH S420NLH S460NH S460NLH Zależność klas jakości stali od pracy łamania klasy jakości JR JO J2 K2 MN
Ml, Q QL QL1
Pr. łam[J] 27 40 27 30
t[oC] +20 0 -20 -20 -50 -20 -40 -60
Zależność właściwości stali od temperatury Jeżeli temperatura eksploatacji konstrukcji przekracza 70oC to do obliczeń należy przyjmować zredukowane wartości wytrzymałości i modułu sprężystości fyt=fy+kyt (wg EN)(WYKRES) ET=kET*E (wg PN)(WYKRES) <-wykresy określenie spawalności stali na podstawie CEV-równoważnika węgla: CEV=C+(Mn/6)+[(Cr+V+Mo)/5]+[(Ni+Cu)/15] [%] stal spawalna gdy CEV< lub = 0,45% stal trudnospawalna gdy CEV>0,45% 4.ROJEKTOWANIE KONSTRUKCJI STALOWYCH - Pracę całej konstrukcji ocenia się metoda stanów granicznych. Są to stany konstrukcji po przekroczeniu których zostaną naruszone założenia projektu. Wyróżnia się Stan Graniczny Nośności (Stan I) i Stan Graniczny Użytkowania (stan II) - Przekroczenie stanu granicznego Nośności może objawiać się: utratą stateczności ogólnej konstrukcji, utratą nośności przekrojów krytycznych, przekształceniem konstrukcji w mechanizm. - Przekroczenie stanu granicznego Użytkowania może objawiać się nadmiernymi odkształceniami (ugięciami) konstrukcji, nadmiernymi drganiami, uszkodzeniami pogarszającymi wygląd elementów - Metoda stanów granicznych to metoda probabilistyczna - pozwala na przewidywanie prawdopodobieństwa stanów bezpiecznych przed rozpoczęciem eksploatacji konstrukcji. Ocenę przeprowadza się na podstawie znajomości rozkładów prawdopodobieństwa wielkości losowych bezpieczeństwa, takich jak właściwości materiałów, wymiary przekrojów, obciążenia konstrukcji. Na podstawie badań statystycznych ustala się wartości częściowych współczynników bezpieczeństwa jako liniowe kombinacje wartości średniej i odchylenia standardowego. - Stanom granicznym nośności odpowiadają obciążenia obliczeniowe - Stanom granicznym użytkowania odpowiadają obciążenia charakterystyczne - Obciążenie charakterystyczne - wartość ustalona na podstawie norm - Obciążenie obliczeniowe - iloczyn wartości charakterystycznej i współczynnika obciążenia - podział częściowych współczynników bezpieczeństwa: 1. współczynniki obciążenia 2. współczynniki nośności Współczynniki obciążenia tworzą z obciążeniami charakterystyczną nośność obliczeniową konstrukcji Rd Warunek stanu granicznego Qd ≤ Rd Podział obciążeń: a. STAŁE - ciężar elementów konstrukcji b. ZMIENNE (1,w całości długotrwałe(ściany działowe), 2,w części długotrwałe(osiadanie podłoża) 3,w całości krótkotrwałe(śnieg, wiatr, temp)) c. WYJĄTKOWE (pożar, wybuch) Wartości współczynników obciążenia - obciążenia stałe γG = PN PN-EN
1,1 0,9 1,35 1,00
1,2 0,9
1,3 0,8
- obciążenia równomiernie rozłożone γQ = PN PN-EN
<2kN/m2 1,4 1,5
2-5kN/m2 1,3
>5kN/m2 1,2
- obciążenie śniegiem PN PN-EN
1,5 1,5
- obciążenie wiatrem PN PN-EN
1,3 1,5
-jednoczesnosc obciążeń ψ PN PN-EN
j=1 1 zalezy od rodzaju obc
j=2 0,9 pom biurowe 0,7
j=3 0,8 snieg 0,7
j>4 0,7 wiart 0,6
Ogólnie obciążenia obliczeniowe wg PN-EN są w podstawowych sytuacjach większe od PN Wartości współczynników nośności N=A*fd = (A*fy)/ γM PN PN-EN
γM 1,1 - 1,25 γM 1,0
5. Połączenia elementów stalowych Podział połączeń ze względu na o położenie:
- połączenia warsztatowe - do wykonywania elementów wysyłanych z wytwórni na miejsce budowy, najczęsciej spawane,
Węzły konstrukcji = połączenie + elementy złączone + odcinki przywęzłowe elementów Połączenie jest elementem węzła Podział połączeń elementów stalowych: 6.Połączenia na śruby Stosowanie połączeń śrubowych gdy: - grubość sumaryczna elementów łączonych jest mniejsza lub równa pięciokrotnej średnicy łącznika, - łączy się element, gdy spawanie jest niemożliwe lub bardzo utrudnione, - łączenie na budowie śrubami jest bardziej efektywne i ekonomiczne, - wymagane jest połączenie rozłączne Rodzaje połączeń śrubowych: - niesprężone - dokręcanie siłą niekontrolowanej wielkości - sprężone - dokręcanie kontrolowane dynamometrem, - zakładkowe - siły przenoszone są prostopadle do trzpienia łącznika np. połączenia rozciągane
- doczołowe - siły przenoszone są równolegle do trzpienia łącznika ( połączenia z blachą czołową)
|
Kategorie połączeń śrubowych
Połączenia zakładkowe Połączenia doczołowe
kategoria A B C D E F
Typ łącznika Niesprężone sprężone Niesprężone sprężone
projekt I SG IISG I SG I SG IISG I SG
Ścinanie docisk poślizg Zerwanie śrub Zerwanie styku
Połączenia śrubowe zakładkowe Projektowane tak aby grupa łącznikow przenosiła obciążenia sprowadzone do środka ciężkości grupy łączników M=V*ex+H*ey
Określenie sił w łacznikach połączenia zakładkowego: Siły rozkładane są równomiernie na wszystkie łączniki:
Momenty przenoszone są przez łączniki proporcjonalnie do odległości od środka ciężkości grupy łączników
Warunek nośności: Maksymalna siła w łączniku < Nośność łącznika
Połączenia doczołowe Wielkości sił proporcjonalne do odległości od osi obrotu połącznenia
Oś obojętną w praktyce można przyjmować nie na krawędzi połączenia, a w osi najniżej położonego rzędu łączników
Klasy właściwości mechanicznych śrub, nakrętek -sposób opisywania np. 12.9(12) 12 - wytrzymałość śruby (Rm=1200MPa) 9- granica plastyczności ( Re=0.9*1200MPa) (12)- wytrzymałość nakrętki
Klasa nakrętki > klasa trzpienia
Formy zniszczenia połączeń śrubowych: -ścinanie -docisk (uplastycznienie ścianki otworu) -poślizg -zerwanie śrub -zerwanie styku 7. POŁĄCZENIA SPAWANE W połączeniach spawanych połączenie elementów uzyskiwane jest za pomocą spoin. Spoiny to część złącza, która składa się z metalu stopionego podczas spawania. Spoina może powstać wyłącznie z metalu rodzimego albo z udziałem materiału doprowadzonego z zewnątrz (spoiwa) Sposoby wykonywania spoin - Spawanie łukiem elektrycznym z elektrodą, - Spawanie gazowe Podział spoin ze względu na przeznaczenia: - Spoiny nośne, służące do przenoszenia sił (ich wymiary należy wyznaczyć z warunków wytrzymałości) - Spoiny szczepne związane z technologią łączenia elementów Podział spoin ze względu na sposób wykonania - Ciągłe - bez przerw między nimi - Przerywane - z przerwami Rodzaje spoin: - Czołowe - uzyskiwane przez całkowite przetopienie ich brzegów na całym przekroju, układane w rowkach wytworzonych przez ukosowanie przekroju - Pachwinowe - układane w naturalnych rowkach powstających między powierzchniami elementów łączonych, - Otworowe - powstające w wyniku wypełnienia otworów lub szczelin wykonywanych w jednym z łączonych elementów - Grzbietowe - do łączenia cienkich elementów, najczęściej bez ukosowania Zasady konstruowania połączeń spawanych - Należy unikać nadmiernego skupienia spoin w połączeniu lub zbyt małęj odległości sąsiednich spoin. Nadmierne skupienie spoin może powodować powstawanie wieloosiowego stanu naprężeń spawalniczych; przy znacznym zbliżeniu spoin następuje wzajemne - nakładanie się wpływu obu spoin (np. nie doprowadzać do żeber do spoin podłużnych między pasem a środnikiem belki), - Należy rozmieszczać spoiny w taki sposób, aby ich środek pokrywał się ze środkiem ciężkości przekroju (unikanie mimośrodów), - Należy unikać stosowania spoin w strefie zgniotu (materiału odkształconego na zimno) - niekorzystny wpływ ciepła spawania na strefę zgniotu, - Unikać stosowania spoin w wewnętrznych narożach kształtowników ze stali nieuspokojonej (spawanie w strefie segregacji zanieczyszczeń może doprowadzić do pękania materiału), - Unikać stosowanie spoin pachwinowych większej grubości niż jest to uzasadnione obliczeniami, - Unikać stosowania spoin w miejscach trudno dostępnych (pochylenie elektrody przy spawaniu powinno wynosić 30-60o, a oddalenie od jakiejkolwiek części konstrukcji przynajmniej 1cm), - Powinien być zapewniony dostęp do spoin, nie tylko podczas ich wykonywania, ale także w czasie eksploatacji konstrukcji w celu umożliwienia ich kontroli. 8. SPOINY CZOŁOWE spoiny czołowe uzyskuje się przy połączeniu elementów położonych zwykle w jednej płaszczyźnie, za pomocą wypełnienia przestrzeni między tymi elementami. elementy spoiny czołowej
odzaje spoin czołowych - spoina I - spoina V -spoina Y -spoina X - spoina K - spoina U grubość spoiny czołowej a jest równa grubości cieńszego z łączonych elementów długość spoiny czołowej l jest równa szerokości węższej z łączonych blach dodatkowe zasady konstruowania spoin czołowych: - stosować styki poszczególnych części przekroju w płaszczyznach prostopadłych o osi spawanych elementów - unikać styków doczołowych w przypadku kształtowników walcowanych, w których spoina przenosiłaby rozciąganie(strefa segregacji) -bliczenia wytrzymałościowe spoin czołowych polegają na sprawdzeniu naprężeń w spoinach wywołanych obciążeniem obliczeniowym i porównaniu tych naprężeń z wytrzymałością obliczeniową spoin spoiny czołowe kontrolowane ze względu na jakość nie wymagają sprawdzenia wytrzymałości. Nośność takiej spoiny jest równa nośności łączonych elementów jeżeli pole przekroju spoin jest niemniejsze od pola przekroju łączonych elementów i α┴=1 to sprawdzenie nośności jest zbędne
|
|
sprawdzenie wytrzymałości spoin czołowych:
σ, τ- naprężenia w przekroju obliczeniowym α┴ α║ - współczynniki wytrzymałości spoiny Współczynniki wytrzymałości spoiny czołowej: - dla ściskania lub zginania α┴=1 α║=0,6 - dla rozciągania równomiernego α┴=0,85 α║=0,6 - dla rozciągania równomiernego α┴=1-0,15ν α║=0,6 przy łączeniu elementów różniej grubości należy zapewnić ciągłą zmianę przekroju stosując odpowiednie pochylenie 9. SPOINY PACHWINOWE spoiny pachwinowe układa się w kącie miedzy dwiema ściankami łączonych elementów grubość spoiny jest równa wysokości trójkąta wpisanego w przekrój spoiny
t1 - grubość cieńszego elementu t2 - grubość grubszego elementu długość obliczeniowa spoin jest równa długości sumarycznej Σli przy czym w przypadku spoin przerywanych można uwzględniać tylko spoiny spełniające warunek: 10a ≤ l ≤100a l ≥ 40mm Warunek wytrzymałości spoin pachwinowych:
H(kappa!) = 0,7 Re ≤ 255MPa H = 0,85 Re ≤ 255MPa÷355MPa H = 0,1 Re >355MPa oznaczenie spoin pachwinowych -
10. Projektowanie elementów rozciąganych Rozciąganie to najkorzystniejszy sposób przenoszenia obciążeń. Rodzaje rozciągania: - osiowe (siła przyłożona w środku ciężkości przekroju), - mimośrodowe - siła działa na pewnym mimośrodzie w stosunku do osi podłużnej elementu, element jest jednocześnie rozciągany i zginany, W projektowaniu dąży się do wyeliminowania lub znacznego ograniczenia mimośrodów, Najczęściej występujące elementy rozciągane to: - pręty kratownic, - cięgna, wieszaki, ściągi, - stężenia Najczęściej dla elementów rozciąganych stosuje się przekroje symetryczne
Nośność elementów rozciąganych osiowo: N - siła rozciągająca element,
Elementy rozciągane łączone spoinami czołowymi
(rys)
Elementy rozciągane łączone spoinami pachwinowymi
a) N- siła rozciągająca,
A-suma pól przekrojów poprzecznych spoiny podłużnej A=2·a·l (rys)
b)
(rys)
c)
(rys)
Elementy rozciągane - połączenia śrubowe
- wytrzymałość śrub na ściskanie m - liczba płaszczyzn ścinania, A - pole przekroju - wytrzymałość śrub na docisk:
- nośność całkowita śruby:
- nośność połączenia: N - siła rozciągająca
n - liczba śrub z jednej strony połączenia
Należy sprawdzić dodatkowo nośność przekroju elementu osłabionego otworami na śruby. 11. GRANICZNE WARTOSCI PARAMETRÓW UŻYTKOWYCH
|
Dopuszczalne ugięcia belki i elementów obudowy: -główne belki stropowe(podciągi) 1/350 l -inne belki stropowe 1/250 l - płyty stalowe i kratki pomostowe 1/150 l -dźwigary dachowe 1/250 l -nadproża 1/500 l -płatwie,rygle,słupki obudowy 1/200 l Dopuszczalne przemieszczenia poziome konstrukcji -w układach jednokondygnacyjnych: - przy obudowie wrażliwej na pękanie 1/250*h - pozostałe wypadki 1/150*h h -rozpietosc - w układach wielokondygnacyjnych 1/500*hi hi- poziom stropu rozpatrywanej kondygnacji względem wierzchu fundamentów Wymagania dotyczące drgań konstrukcji: -częstość drgań własnych konstrukcji stropu pomieszczeń użyteczności publicznej rozpiętości l>12m powinna wynosić co najmniej 5Hz -różnica częstotliwości drgań wzbudzonych i drgań własnych konstrukcji narażonych na oddziaływania typu harmonicznego powinna wynosić co najmniej 25% częstotliwości drgań własnych
- Elementy podawane naprężeniom ściskanym należy podawać klasyfikacji według klasy ściskania i klasy przekroju - Klasa przekroju jest równa największej klasie elementów przekroju - Klasa przekroju ścianki jest miarą wrażliwości ścianki na niestateczność miejscową - Przyjęte w normie klasy przekrojów : - Klasa 1 - mogą osiągnąć nośność w pełni rozwiniętego przegubu plastycznego . w każdym punkcie naprężenie jest co najmniej równe Re, a smukłość ścianki l< lgr. Możliwa plastyczna redystrybucja momentów. -Klasa 2 - mogą osiągać nośność przegubu plastycznego, naprężenia równe Re, w skutek miejscowej niestateczności plastycznej ograniczona zdolność obrotu przy zginaniu, plastyczna redystrybucja momentów nie możliwa. - Klasa 3 - przekrój osiąga nośność charakterystyczną dla początku uplastyczniania strefy ściskanej scmax=Re - Klasa 4 - przekroje tracą nośność przy naprężeniach mniejszych niż granica plastyczności - przekroje klasy 1,2,3 nie tracą stateczności miejscowej, przekroje klasy 4 są wrażliwe na miejscową uratę stateczności w stanie sprężystym. - miejscowa utrata stateczności to zjawisko wybrzuszenia środników, półek, ścianek, el. ściskanych po przekroczeniu naprężeń krytycznych.
- sprawdzenie nośności el. osiowo ściskanych - N - siła ściskająca przekrój, Nrc - nośność obliczeniowa przekroju, ∅i - wspł. niestateczności ogólnej, A - pole przekroju, ѱ- wsp. niestateczności miejscowej ścianek przekrojów (dla klasy 1,2,3 -> ѱ=1, dla klasy 4 -> ѱ dalej w opisie), - wyznaczenie wspł. niestateczności ogólnej ∅i (klasa 1,2,3):
- wyznaczenie wspł. niestateczności miejscowej (dla klasy 4): ѱ=∅p
- wyznaczenie smukłości wzg. ścianki: lp= ∅p=1 dla lp≤0,5, ∅p=1,3-0,6*lp dla 0,5≤lp<1,35, lp ->wg normy dla lp>1,35 - zależność nośności od smukłości - wykres - jeżeli siła ściskająca przekracza wartość Nrc to pręt ulega niestateczności ogólnej (wyboczeniu)
- Dla idealnego pręta ściskanego, siła krytyczna powodująca wyboczenie wynosi: Ncr=Π2EA/l2 lgr=Π pręty rzeczywiste obarczone są inprefikacjami (wstępne ugięcie pręta , napierzenie własne (rezydualne) - rodzaje wyboczeń -wyboczenie sprężyste -następóje gdy l>lgr ,opisywane przez wzór Eulera -wyboczenie niesprężyste - ma miejsce dla smukłości l<lgr
|
|
|
Wyszukiwarka