nośność metale

Idea sprawdzania nośności konstrukcji wg metody stanów granicznych Sprawdzanie nośności konstrukcji wg SGN jest konieczne ze względu na fakt istnienia wielu źródeł obciążeń konstrukcji budowlanych

Rodzaje stanów granicznych wg PN-EN 1990 Stan graniczny nośności (SGN), dotyczy: bezpieczeństwa ludzi, bezpieczeństwa konstrukcji Stan graniczny użytkowalności (SGU), dotyczy: funkcji konstrukcji lub elementu konstrukcji w warunkach zwykłego użytkowania, komfortu użytkowników, wyglądu obiektu budowlanego

Kombinacje oddziaływań w stanach granicznych nośności

1. wiodący wiatr

2. wiodący śnieg

3. wiodące wyjątkowe

4. miminalne stałe, maksymalny wiatr

Kombinacje oddziaływań w stanach granicznych użytkowalności.

W ustalaniu parametrów użytkowalności (ugięć, przemieszczeń, gań itp.) stosuje się kombinacje oddziaływań:


$$E_{d} = \sum_{j \geq 1}^{}{G_{k,j}^{} + P^{} + Q_{k,1}^{} +}\sum_{i > 1}^{}{\mathbf{\psi}_{\mathbf{0,i}}Q_{k,i}}$$


$$E_{d} = \sum_{j \geq 1}^{}{G_{k,j}^{} + P^{} + \mathbf{\psi}_{\mathbf{1,1}}Q_{k,1}^{} +}\sum_{i > 1}^{}{\mathbf{\psi}_{\mathbf{2,i}}Q_{k,i}}$$


$$E_{d} = \sum_{j \geq 1}^{}{G_{k,j}^{} + P +}\sum_{i > 1}^{}{\mathbf{\psi}_{\mathbf{2,i}}Q_{k,i}}$$

Ed - wartość obliczeniowa efektów oddziaływań

Gk,j - wartość charakterystyczna oddziaływania stałego j

P - miarodajna wartość reprezentatywna oddziaływania sprężającego

Qk,1 - wartość charakterystyczna dominującego oddziaływania zmiennego 1

Qk,i - wartość charakterystyczna towarzyszących oddziaływań zmiennych i

ψ0 - współczynnik dla wartości kombinacyjnej oddziaływania zmiennego

ψ1 - współczynnik dla wartości częstej oddziaływania zmiennego

ψ2 - współczynnik dla wartości prawie stałej oddziaływania zmiennego

W analizie stanu granicznego konstrukcji stalowych sprawdza się, dla kombinacji obciążeń charakterystycznych następujące wielkości:

37) Wytrzymałość materiału w punkcie przekroju rozciąganego osiowo.

W stanie granicznym nośności (dla obliczeniowych wartości sił wewnętrznych M , V , N ) przeprowadza się sprawdzenie bezpieczeństwa na trzech poziomach:

σmax – największe naprężenie normalne, obliczone na podstawie elementarnych wzorów wytrzymałości materiałów,

fi – parametr wytrzymałościowy materiału - granica plastyczności stali lub wytrzymałość stali na rozciąganie,

XEd – obliczeniowa wartość siły wewnętrznej odpowiednio: MEd - moment zginający, VEd - siła poprzeczna, NEd - siła podłużna,

XRd – obliczeniowa nośność przekroju odpowiednio: MRd - na zginanie, VRd - na ścinanie, NRd - na wytężanie podłużne,

Xb, Rd – obliczeniowa nośność elementu z warunku utraty stateczności ogólnej odpowiednio: Mb, Rd , - na zwichrzenie (przy zginaniu), NRd - na wyboczenie (przy ściskaniu).

Wytrzymałość materiału w punkcie przekroju rozciąganego osiowo: $\mathbf{\sigma}_{\mathbf{\max}}\mathbf{\leq}\frac{\mathbf{f}_{\mathbf{y}}}{\mathbf{\gamma}_{\mathbf{M}\mathbf{0}}}$

fy –granica plastyczności stali (98% próbek ma wartość większą od fy)

γM0 –współczynnik częściowy do określenia stanu granicznego nośności,

(przyjmujemy γM0 = 1, 0, czyli dopuszcza się σmax = fy - 2 próbki na 100 uległyby zniszczeniu)

38) Wytrzymałość materiału w punkcie przekroju ścinanego. $\mathbf{\tau}\mathbf{\leq}\frac{\mathbf{f}_{\mathbf{y}}}{{\sqrt{\mathbf{3}}\mathbf{\gamma}}_{\mathbf{M}\mathbf{0}}}$

τ - naprężenia styczne $\tau = \frac{\text{VS}}{\text{It}}$ V - siła poprzeczna S - moment statyczny względem osi głównej części przekroju między punktem, w którym oblicza się τ , a brzegiem przekroju I - moment bezwładności przekroju t - grubość w rozpatrywanym punkcie γM0 = 1, 00

39) Wytrzymałość materiału w punkcie przekroju w złożonym stanie naprężenia.

W analizach wytrzymałościowych należy brać pod uwagę wpływ siły poprzecznej na nośność przekroju przy zginaniu.

Redukujemy stan złożony i sprawdzamy warunek: $\mathbf{\sigma}_{\mathbf{\text{red}}}\mathbf{\leq}\frac{\mathbf{f}_{\mathbf{y}}}{\mathbf{\gamma}_{\mathbf{M}\mathbf{0}}}$

gdzie


$$\mathbf{\sigma}_{\mathbf{\text{red}}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{1}}{\mathbf{2}}\sqrt{{\mathbf{(}\mathbf{\sigma}_{\mathbf{x}}\mathbf{-}\mathbf{\sigma}_{\mathbf{y}}\mathbf{)}}^{\mathbf{2}}\mathbf{+}{\mathbf{(}\mathbf{\sigma}_{\mathbf{y}}\mathbf{-}\mathbf{\sigma}_{\mathbf{z}}\mathbf{)}}^{\mathbf{2}}\mathbf{+}{\mathbf{(}\mathbf{\sigma}_{\mathbf{z}}\mathbf{-}\mathbf{\sigma}_{\mathbf{x}}\mathbf{)}}^{\mathbf{2}}\mathbf{+ 6}{\mathbf{(}{\mathbf{\tau}_{\mathbf{\text{xy}}}}^{\mathbf{2}}\mathbf{+}{\mathbf{\tau}_{\mathbf{\text{yz}}}}^{\mathbf{2}}\mathbf{+}{\mathbf{\tau}_{\mathbf{\text{zx}}}}^{\mathbf{2}}\mathbf{)}}^{}}$$

dla stanu dwuosiowego ( nie mamy σz, τzx, τyz): $\mathbf{\sigma}_{\mathbf{\text{red}}}\mathbf{=}\sqrt{\mathbf{\sigma}_{\mathbf{x}}\mathbf{+}\mathbf{\sigma}_{\mathbf{y}}\mathbf{-}\mathbf{\sigma}_{\mathbf{x}}\mathbf{\sigma}_{\mathbf{y}}\mathbf{+}\mathbf{3}{\mathbf{\tau}_{\mathbf{\text{xy}}}}^{\mathbf{2}}}$

dla uproszczonego stanu dwuosiowego ( nie mamy σy): $\mathbf{\sigma}_{\mathbf{\text{red}}}\mathbf{=}\sqrt{{\mathbf{\sigma}_{\mathbf{x}}}^{\mathbf{2}}\mathbf{+}\mathbf{3}{\mathbf{\tau}_{\mathbf{\text{xy}}}}^{\mathbf{2}}}$

(z wykładu np. belka HEA300 o dł. l= 6,0m, obciążona q=10kN/m w rozpiętości l/3)

stąd dla stanu jednoosiowego (−> przekrój ścinany): $\mathbf{\sigma}_{\mathbf{\text{red}}}\mathbf{=}\sqrt{\mathbf{3}{\mathbf{\tau}_{\mathbf{\text{xy}}}}^{\mathbf{2}}}\mathbf{=}\sqrt{\mathbf{3}}\mathbf{\tau}_{\mathbf{\text{xy}}}$

40) Nośność przekroju rozciąganego osiowo.

Warunek nośności:$\frac{\mathbf{N}_{\mathbf{\text{Ed}}}}{\mathbf{N}_{\mathbf{t,Rd}}}\mathbf{\leq 1}$

NEd - obliczeniowa siła podłużna rozciągająca przekrój
Nt, Ed - obliczeniowa nośność przekroju rozciąganego:


$$\mathbf{N}_{\mathbf{t,Rd}}\mathbf{=}\mathbf{N}_{\mathbf{u,Rd}}\mathbf{= 0,9}\mathbf{A}_{\mathbf{\text{nett}}}\frac{\mathbf{f}_{\mathbf{u}}}{\mathbf{\gamma}_{\mathbf{M}\mathbf{2}}}$$

fy - granica plastyczności stali fy - wytrzymałość stali na rozciąganie γM0 = 1, 00 γM2 = 1, 25
Nośność przekroju ściskanego osiowo
Warunek nośności przekroju elementu ściskanego siłą osiową

Gdzie: - obliczeniowa wartość siły ściskającej

- dla klasy 1,2,3 - dla klasy 4

- pole przekroju współpracującego (po odrzuceniu części przekroju)

Lokalna utrata stateczności ścianek ściskanych lub zginanych Lokalną utratą stateczności ścianek nazywamy utratę tzw. płaskiej postaci zginania. W przypadku elementu ściskanego mamy do czynienia z wyboczeniem, w przypadku elementu zginanego zjawisko utraty stateczności opisuje zwichrzenie.
Nośność na wyboczenie (elementu ściskanego):
- dla klasy 1,2,3 - dla klasy 4
- pole przekroju po usunięciu części, które uległy utracie stateczności
Przy czym: , lecz
Nośność na zwichrzenie (elementu zginanego):
Gdzie jest odpowiednim wskaźnikiem wytrzymałości: - dla klasy 1 i 2 - dla klasy 3 - dla klasy 4 - współczynnik zwichrzenia , lecz

43.Charakterystyka klas przekrojów i sposób ich ustalania

Ponieważ nośność obliczeniowa przekroju jest uwarunkowana stopniem odporności kształtownika na zjawisko miejscowej utraty stateczności, wprowadzono pojęcie klasy przekroju, będącej wskaźnikiem wspomnianej zdolności przekroju do przeciwstawiania się temu zjawisku.

Klasa 1 – przekroje, które osiągają nośność przegubu plastycznego i wykazują przy tym zdolność do obrotu niezbędną do plastycznej redystrybucji momentów zginających

Klasa 2 - przekroje, które osiągają nośność przegubu plastycznego, lecz wskutek niestateczności miejscowej (w stanie plastycznym) wykazują ograniczoną zdolność do obrotu

Klasa 3 – przekroje, które wykazują nośność mniejszą, niż to wynika z początku uplastycznienia strefy ściskanej, lecz wskutek niestateczności miejscowej (w stanie sprężysto-plastycznym) nie osiągają nośności przegubu plastycznego

Klasa 4 – przekroje, które wskutek niestateczności miejscowej (w stanie sprężystym) wykazują nośność mniejszą, niż to wynika z początku uplastycznienia strefy ściskanej

Klasę przekroju oblicza się na podstawie normy PN-EN1993-1-1, tablica 5.2

Przykładowej sprawdzenie klasy przekroju kształtownika:
Nośność przekroju zginanego

Gdzie: - obliczeniowa wartość momentu zginającego - obliczeniowa nośność na zginanie - dla klasy 1 i 2 - dla klasy 3

- najmniejszy sprężysty wskaźnik wytrzymałości

- dla klasy 4 - najmniejszy wskaźnik wytrzymałości przekroju współpracującego

Opisać sposób wyznaczania osi obojętnej przekroju w stanie pełnego uplastycznienia

Oś obojętną wyznaczamy jak na rysunku poniżej:

Po przyjęciu plastycznego rozkładu naprężeń mamy:

Omówić procedurę wyznaczania charakterystyk efektywnych przekroju

przekrój efektywny: część przekroju która nie uległa utracie stateczności lokalnej.

- Współczynnik redukcyjny uwzględniający niestateczność ścianki

A-pole przekroju scianki

oblizenia A, wyznaczenie

47. Współczynnik redukcyjny uwzględniający niestateczność ścianki- jest funkcją tzw. smukłości względnej ścianki przekroju (funkcja ta zależy od smukłości geometrycznej ścianki, fy,parametru niestateczności miejscowej uzależnionego od stosunki naprężeń krawędziowych).

współczynnik redukcyjny przyjmuje różne wartości dla różnych elementów(ścianki przęsłowe-środniki,ścianki wspornikowe-pas)

48. Nośność przekroju ścinanego

Warunek nośności ze względu na wyboczenie elementu o stałym przekroju, osiowo sciskanym siłą N Ed przekroju na ścinanie:

N Ed-siła poprzeczna w przekroju

Nb,Rd- nośność na wyboczenie elementu ściskanego

Noścność oblicza się w zależności od klasy przekroju. Dla klasy 1,2,3 I wzór dla klasy 4 inny. Występującą we wzorach smukłość względną ponownie oblicza się dla klasy 1,2,3 z innego wzoru jak dla przekroju klasy 4

Skręcanie swobodne Skręcanie nieswobodne

Przekrój niekołowy nie pozostaje po skręceniu pręta płaski, lecz ulega deplanacji, czyli wypaczeniu. Zakłada się, że po obrocie przekroju, którego kontur zachowuje swój pierwotny kształt, o kąt $\varphi^{'}x\ (\text{gdzie}\ \varphi^{'} = \frac{\text{dφ}}{\text{dx}}\ \text{to}\text{\ \ }$jednostkowy stały kąt skręcania, x – odległość między końcowym nieruchomym oraz rozpatrywanym przekrojem pręta), dowolny punkt przekroju B zajmie położenie B’, a ponadto dozna przemieszczenia u w kierunku osi pręta x.

Skręcanie swobodne – swobodne wypaczenie wszystkich przekrojów pręta. Wszystkie punkty leżące na odcinku równoległym do osi pręta doznają jednakowego przemieszczenia, a więc odcinek ten nie zmienia długości, czyli się nie odkształca.

Teoria de Saint-Venanta skręcania swobodnego prętów o dowolnym przekroju. Przemieszczenia v i w:

Skręcanie nieswobodne – odcinek pręta odkształca się, co powoduje powstawanie naprężeń normalnych w przekroju pręta skręcanego.

Nośność przekroju zginanego i ścinanego.


$$\tau_{(y)} = \frac{T_{x} \bullet S_{y}^{y_{\max}}}{b_{y} \bullet J_{z}}$$

τ(y)- naprężenie tnące w punktach odległych o odcinek y od warstwy obojętnej, położonych w przekroju poprzecznym określonym współrzędną x;

Tx- siła tnąca w przekroju poprzecznym belki określonym współrzędną x;

Syymax- moment statyczny względem osi obojętnej tej części przekroju poprzecznego, która zawarta jest między współrzędnymi y oraz ymax odmierzanymi od osi obojętnej pokrywającej się z osią z;

by- szerokość przekroju poprzecznego belki na poziomie określonym współrzędną y;

Jz- moment bezwładności całego przekroju poprzecznego belki względem osi obojętnej pokrywającej się z osią z.

Nośność przekroju zginanego i wytężonego siłą podłużną.


$$\sigma_{z} = \sigma_{r}{+ \sigma}_{g} = \frac{F}{S} \pm \frac{M_{g}}{W}$$

Mg – moment zginający

W – wskaźnik wytrzymałości przekroju na zginanie

F – siła działająca na przekrój

S – pole przekroju

Znak + dotyczy włókien rozciąganych, znak – włókien ściskanych.

55) Nośność elementu rozciąganego osiowo.

Rozciąganie osiowe zachodzi wówczas, gdy obciążenie pręta daje się sprowadzić do siły wypadkowej F leżącej w osi pręta i wywołującej zwiększenie jego długości. Naprężenie rozciągające σr w dowolnym punkcie przekroju S, prostopadłego do linii działania siły F:


$$\sigma_{r} = \frac{F}{S} \leq k_{r}$$


kr −  naprezenia dopuszczalne dla danego materialu

Wzór ten stosuje się przy obliczaniu prętów, lin, śrub, łańcuchów itd.

Przyrost l długości pręta: $l = \frac{l \bullet F}{E \bullet S} = \frac{l \bullet \sigma_{r}}{E}$

Nośność elementu ścinanego.


$$\tau_{} = \frac{F}{S} \leq k_{t}$$


kt −  naprezenia dopuszczalne dla danego materialu

Nośność elementu ściskanego osiowo.Ściskanie osiowe ma miejsce wówczas, gdy obciążenie elementów daje się sprowadzić do siły wypadkowej F leżącej w osi elementu i wywołującej zmniejszenie jego długości. Naprężenie ściskające σs w dowolnym punkcie przekroju S, prostopadłego do linii działania siły F:


$$\sigma_{s} = \frac{F}{S} \leq k_{c}$$


kr −  naprezenia dopuszczalne dla danego materialu

58) Wyboczenie elementów ściskanych.

Wiotkie elementy ściskane mogą ulegać wyboczeniu. Wyboczenie polega na ugięciu elementu podczas jego osiowego ściskania. Tak więc w przypadku ściskania wiotkiego elementu należy sprawdzić, czy nie ulegnie on wyboczeniu. Sprawdzenie to polega w pierwszej kolejności na określeniu jego smukłości:

gdzie:
S – smukłość elementu [–],
l – długość elementu [m],
u – współczynnik zależny od rodzaju mocowania elementu (patrz rysunek),
imin ­– najmniejszy promień bezwładności przekroju poprzecznego elementu [m].

gdzie:
Imin – najmniejszy główny centralny moment bezwładności przekroju elementu [m4],
A – pole przekroju poprzecznego elementu [m2

np. dla przekroju okrągłego:

W praktyce inżynierskiej dla materiałów metalowych przyjmuje się zazwyczaj, że jeżeli:
S<40 – elementu nie trzeba sprawdzać z warunku na wyboczenie,
40<S<Skr ­– element może ulec wyboczeniu niesprężystemu,
S≤Skr – element może ulec wyboczeniu sprężystemu.
gdzie Skr to smukłość krytyczna określona dla większości materiałów ze wzoru:

gdzie: E – moduł Younga dla materiału [MPa], RH – granica stosowalności prawa Hooke’a dla materiału [MPa]. Ponieważ granica RH nie jest często podawana w specyfikacjach materiałów z tego powodu zazwyczaj dla wyrobów stalowych przyjmuje się wartość Skr=95-105. W przypadku wyboczenia niesprężystego naprężenia krytyczne obliczane są z zależności empirycznych:

Najczęściej stosowany wzór Tetmajera-Jasińskiego:

59. Współczynnik wyboczeniowy

Zarowno obciążenie krytyczne Ncr jak i graniczne Ngr są mniejsze od nośności plastycznej przekroju pręta Ngr. W podejściu normowym do analizy bezpieczeństwa prętow ściskanych ich nośność z uwzględnieniem utraty stateczności ogólnej wyznacza się obliczając współczynnik wyboczeniowy χ . Jest on definiowany jako iloraz nośności granicznej pręta ściskanego osiowo Ngr i obliczeniowej nośności plastycznej przekroju Npl :

Współczynnik wyboczeniowy χ elementów ściskanych osiowo wyznacza się wg PN-EN 1993-1-1 w zależności od smukłości względnej l , parametru imperfekcji a oraz odpowiedniej krzywej wyboczenia opisanej funkcją:

60. Krzywe wyboczeniowe Badania doświadczalne ściskanych słupów wykonane na zlecenie ECCS doprowadziły do uzgodnienia krzywych wyboczeniowych prętów rzeczywistych z ich modelem teoretycznym. Zaproponowane przez ECCS podejście pozwala na wierniejsze odwzorowanie wytężenia tak obciążonych elementów w zależności od kształtu przekroju poprzecznego, technologii jego wykonania oraz wpływu imperfekcji geometrycznych. W tym podejściu w zależności od stopnia wrażliwości na wstępne, losowe imperfekcje geometryczne i technologiczne dla ściskanych prętów proponuje się krzywe wyboczeniowe, które wyspecyfikowano rozpatrując model pręta ściskanego ze wstępną ekwiwalentną krzywizną. W PN-EN 1993-1-1 w specyfikowaniu krzywych wyboczeniowych: a0, a, b, c i d przyjęto zastępcze wstępne wygięcie w środku rozpiętości odpowiednio L / 350 , L / 300 , L / 250 , L / 200 , L /150 , gdzie L - długość pręta.

61. Nośność elementu zginanego Utrata stateczności ogólnej elementu zginanego, nazywana również utratą płaskiej postaci zginania lub zwichrzeniem. Polega na tym, że pierwotnie płaski dźwigar pod wpływem obciążenia "wychodzi" z płaszczyzny głównej (w której działa obciążenie), tj. w kierunku prostopadłym do płaszczyzny obciążenia, z równoczesnym obrotem przekroju poprzecznego. O ile utrata stateczności miejscowej (lokalne wyboczenie ścianki) może wystąpić tylko w elementach o przekrojach klasy 4, to utracie stateczności ogólnej (zwichrzeniu) mogą ulec pręty o przekrojach klasy 1, 2, 3 i 4.

Według PN-EN 1993-1-1 warunek nośności na zwichrzenie względem silniejszej osi y - y

elementu o stałym przekroju, zginanego obliczeniowym momentem MEd ma postać:

Nośność na zwichrzenie elementów belkowych niestężonych w kierunku bocznym Mb,Rd

określona jest wzorem:

Zwichrzenie Wyboczenie przy zginaniu (zwichrzenie) zachodzi w belkach wskutek dodatkowego skręcania, które wystąpi równocześnie ze zginaniem. Skręcanie to może być spowodowane imperfekcjami geometrycznymi belki (brak prostoliniowości, wstępne skręcenie, niedoskonałość kształtu przekroju poprzecznego) lub losowym mimośrodem obciążenia. Oznacza to, że im przekrój belki jest bardziej smukły tym bardziej narażona jest cała belka na zwichrzenie. Zabezpieczeniem przed takim zjawiskiem może być odpowiednie ukształtowanie belki lub zastosowanie usztywnień przytrzymujących strefę ściskaną. Zjawisko zwichrzenia, jak łatwo można zauważyć ma wiele analogii ze zjawiskiem wyboczenia sprężystego pręta.

Stan graniczny ugięcia pionowego Stan graniczny użytkowalności wyraża się w postaci m.in. wymogu nieprzekroczenia granicznych wartości ugięć pionowych wult elementow prętowej konstrukcji nośnej (warunek sztywności). Rodzaje i wielkości ugięć elementów konstrukcji przedstawiono na rysunku.

Zgodnie z PN-EN 1993-1-1 zaleca się, aby ugięcia pionowe wi nie przekraczały wartości

granicznych. Gdy stosuje się podniesienie wykonawcze ograniczenie wartości ugięcia obejmuje obciążenie zmienne w3, ale nie ogranicza ugięcia całkowitego wtot .

Stan graniczny przemieszczenia poziomego Graniczne wartości ugięć poziomych konstrukcji zaleca się przyjmować w sposób pokazany na rysunku, gdzie u jest całkowitym przemieszczeniem poziomym budynku na wysokości H , natomiast ui jest przemieszczeniem poziomym kondygnacji o wysokości Hi.

Według PN-EN 1993-1-1 zaleca się, aby przemieszczenia poziome nie przekraczały następujących wartości granicznych:

· w układach jednokondygnacyjnych (bez suwnic) H /150 ,

· w układach wielokondygnacyjnych H / 500 ,

gdzie: H - poziom rozpatrywanego rygla względem wierzchu fundamentu.

W odniesieniu do układów wielokondygnacyjnych według Załącznika Krajowego do

PN-EN1993-1-1 wymaga się sprawdzenia przemieszczenia rygli (stropów) względem wierzchu fundamentu, natomiast w PN-EN 1990 sformułowano ograniczenia do układu jako całości i do każdej kondygnacji:

· u - całkowite przemieszczenie poziome budynku o wysokości H ,

· ui - przemieszczenie poziome kondygnacji o wysokości Hi (rys. 20).


Wyszukiwarka