18. Projektowanie koncepcyjne konstrukcji prętowych w świetle klasyfikacji przekrojów stalowych.

Wg. Skryptu Gwóźdź i Maślak

Klasy przekrojów stalowych

• Klasa 1. Przekroje klasy l mogą osiągnąć nośność uogólnionego przegubu plastycznego, a w stanie pełnego uplastycznienia przy zginaniu wykazują zdolność do obrotu, niezbędną do plastycznej redystrybucji momentów zginających.

• Klasa 2. Przekroje klasy 2 mogą osiągnąć nośność uogólnionego przegubu plastycznego, lecz wskutek miejscowej niestateczności plastycznej wykazują ograniczoną zdolność do obrotu, uniemożliwiającą redystrybucję momentów zgina­jących.

• Klasa 3. Przekroje klasy 3 charakteryzują się tym, że ich nośność jest uwarunkowana początkiem uplastycznienia strefy ściskanej (cr_cmax źfd)-

• Klasa 4. Przekroje klasy 4 tracą nośność przy największych naprężeniach ści­skających lub średnich ścinających mniejszych niż granica plastyczności.

Powyższa klasyfikacja, zredagowana dość ogólnikowo, wymaga komentarza. Użyty dla klas l i 2 termin „uogólniony przegub plastyczny" dotyczy przekrojów stalowych w złożonych stanach obciążeń, gdy występuje dwie lub więcej składowych sił przekrojowych. Pojedyncze składowe nie są w stanie doprowadzić przekrój do granicy nośności, ale ich łączne działanie tak. Zadaniem normalizacji jest określenie granic nośności przekrojów (liniowych lub nieliniowych), które na drodze przekształceń matematycznych doprowadza się do przypadku prostego zginania. Przykładowo wzór (45) w normie PN-90/B-03200 wyprowadzono dla nieliniowej granicy nośności przy współdziałaniu momentu zginającego M_s i siły poprzecznej V_s

Nośność plastyczna przekroju zginanego M_pl,V zredukowana ze względu na udział siły poprzecznej, jest miarą nośności uogólnionego przegubu plastycznego.

Zakwalifikowanie przekroju stalowego do jednej z czterech klas wymaga sformułowania kryteriów kwalifikacyjnych. Norma PN, wzorując się na eurokodzie, podaje kryterium podatności ścianek przekroju na utratę stateczności miejscowej (por. tablica 6 PN). Podatność na utratę stateczności miejscowej jest jednym z podstawowych ograniczeń w wykorzystaniu plastycznych własności stali. Drugim elementarnym ograniczeniem jest zagrożenie utraty wytrzymałości zmęczeniowej stali pod wpływem wielokrotnych obciążeń dynamicznych. Zdefiniowane powyżej klasy przekrojów determinują procedury obliczeniowe, jakie należy stosować przy wymiarowaniu konstrukcji stalowych.

• Zakwalifikowanie do klasy l oznacza, że obliczenia statyczne należy przeprowadzić z wykorzystaniem plastycznej redystrybucji momentów zginających (dla układów prętowych statycznie niewyznaczalnych), a nośność przekroju ustalić z uwzględnieniem plastycznej redystrybucji naprężeń.

Eurocode 3, a także zharmonizowana z nim norma niemiecka DIN18800, dopuszczają pełną redystrybucję naprężeń wg wzorów (1) i (2), natomiast w normie PN-90/B-03200 obowiązuje redystrybucja ograniczona, opisana wzorami

M_R = a_pWf_d

a_p = 0,5(1 + W_plIW).

Średni wskaźnik rezerwy plastycznej (nazwany w normie PN obliczeniowym) a_p odpowiada w przybliżeniu stanom pełnego uplastycznienia pasów przekrojów dwuteowych i sprężystej pracy średnika.

• Zakwalifikowanie do klasy 2 oznacza, że obliczenia statyczne należy przeprowadzić przy założeniu sprężystej pracy układu mechanicznego, a nośność przekrojów ustalić z uwzględnieniem plastycznej redystrybucji naprężeń.

• Przekroje klasy 3 są podatne na utratę stateczności miejscowej ścianek w zakresie pozasprężystym, co uniemożliwia wykorzystanie jakichkolwiek rezerw plastycznych. Zarówno siły przekrojowe, jak i granice nośności przekrojów ustala się zakładając sprężyste własności stali, zatem dla przekrojów klasy 3 obowiązują klasyczne metody obliczeń statycznych oraz warunki bezpieczeństwa sprawdzane na granicy sprężystości materiału.

• Przekroje klasy 4, w zakresie analizy statyczno-wytrzymałościowej, należy obliczać metodami mechaniki sprężystego pręta cienkościennego. Dopuszcza się jednocześnie stany nadkrytyczne przekrojów, jednak norma PN-90/B-03200 nie podaje w tym zakresie pełnej procedury obliczeniowej. Poprawne obliczenia statyczno-wytrzymałościowe konstrukcji cienkościennych w stanach nadkrytycznych wymagają odwołania się do przepisów europejskich ECCS lub Eurocode 3.

Klasyfikacja przekrojów stalowych nie dopuszcza dowolności procedur obliczeniowych. Zakwalifikowanie przekroju do konkretnej klasy zobowiązuje projektanta do ścisłego przestrzegania procedury. Łamanie tych zasad jest błędem sztuki, a strat finansowych, jakie ponosi z tego tytułu gospodarka, gdy konstrukcje są przewymiarowane, nie można akceptować.