JJ09 (2)

Dział Naukowo-Techniczny

Rys. 14. Technologicznie preferowane rozwiązania węzłów podatnych

Istnieje też duża grupa indywidualnych rozwiązań węzłów chronionych patentami, szczególnie w systemowych rozwiązaniach struktur prętowych (rys. 13) [47], Coraz większa liczba konstrukcji wiszących i cięgnowych o dużej rozpiętości (mosty, przekrycia hal widowiskowych i stadionów sportowych) zwiększyła zapotrzebowanie na dużej niezawodności łączniki cięgien i zaciski do połączeń lin, wykonywane z odlewów i odkuwek stalowych z kontrolowaną obróbką cieplną [33],

Poprawne ukształtowanie węzłów i zastosowanie właściwego sposobu łączenia niejednokrotnie decyduje o niezawodności układu konstrukcyjnego i o możliwości przetrwania przez konstrukcję sytuacji związanej z wystąpieniem obciążeń wyjątkowych. Węzły kształtowane były początkowo jako przegubowe lub sztywne. W węzłach przegubowych dążono do upraszczania kształtów, nawet kosztem świadomego wprowadzenia niedużej sztywności połączenia, podczas gdy węzłom sztywnym nadawano kształty skomplikowane i wymagające stosowania uże-browania. Użebrowane węzły spawane wymagają większego nakładu robocizny. Przy spawaniu zmienia się zachowanie materiału w wyniku przyspieszonego procesu starzenia, szczególnie w strefach wpływu ciepła (HAZ). Zmiany fazowe materiału rodzimego oraz spoiwa w strefie spawania oraz zmiany struktury stali w obszarze HAZ, powodują niejednorodność i anizotropię. Korzystnemu zjawisku podwyższenia wytrzymałości w tym obszarze towarzyszy znaczna redukcja zdolności do odkształcenia. Wskutek skrępowania możliwości odkształceń skurczowych w fazie chłodzenia materiału po spawaniu pojawiają się naprężenia własne spawalnicze, których wartość sięga lokalnie granicy plastyczności stali. Te niekorzystne czynniki podwyższają ryzyko pękania w wyniku akumulacji odkształceń trwałych i zmęczenia niskocyklowego, co ma szczególne znaczenie w sytuacji obciążeń qu-asi-cyklicznych i cyklicznych, np. podczas ruchów tektonicznych skorupy ziemskiej. Trzęsienia ziemi w Northridge, USA (1994 r.) i w Kobe, Japonia (1995 r.) wykazały, że brak zdolności węzłów do obrotu plastycznego w warunkach formowania się przegubów plastycznych jest w sytuacjach obciążeń wyjątkowych podstawową przyczyną katastrof konstrukcji stalowych i zespolonych stalowo-betonowych [44]. Współczesne zasady projektowania w USA zmierzają do konstrukcyjnego osłabienia przekroju rygli w pobliżu węzłów w celu „wymuszenia” pojawienia się przegubów plastycznych w strefach sąsiadujących z węzłami, w których ciągliwość stali nie jest zdegradowana w wyniku procesu spawania. W Europie przeważa pogląd, że nie należy osłabiać stref przywęzłowych, a węzły projektować o nośności znacznie wyższej niż odpowiadająca łączonym prętom, co powinno wyeliminować problem degradacji zdolności węzłów do obrotu. Opracowywane są nowe techniki spawania elementów stalowych, które zmierzają do zapewnienia częściowej rekrystalizacji materiału w strefach sąsiadujących ze spoinami, co polepsza zdolność stali do odkształcenia i „uwalnia” naprężenia własne. Proces technologiczny spawania zmierza ewolucyjnie do integralnego powiązania procesów spajania i odprężania normalizującego.

Tendencją obserwowaną w ostatnim ćwierćwieczu było dążenie do uproszczenia technologii wykonania i montażu, co doprowadziło do praktycznego stosowania w konstrukcjach węzłów podatnych [16], [27], Wykonanie węzłów zbliżonych do idealnie sztywnych jest kłopotliwe, wymaga ręcznego układania spoin i stanowi przeszkodę w pełnej automatyzacji wspomaganego komputerowo procesu wytwarzania elementów konstrukcji. Ich stosowanie prowadzi do zwiększenia kosztu realizacji nie tyle w wyniku zbędnego wydatku materiału, co przede wszystkim w związku ze wzrostem kosztu robocizny. Procesy technologiczne spawania żeber są ponadto źródłem niepożądanej koncentracji naprężeń własnych i degradacji cech plastycznych stali w obszarach węzłowych. Węzły użebrowane zawierają karby technologiczne, co obniża ich trwałość w wyniku wrażliwości na niskocyklowe zmęczenie materiału.

Wspomniane czynniki technologiczne przemawiają na korzyść stosowania węzłów nieużebrowanych, a to nie zawsze musi być związane z istotną z punktu widzenia niezawodności konstrukcji redukcją sztywności węzła. Węzły ukształtowane jako nieużebrowane w wielu przypadkach można traktować jak technicznie sztywne, co pozwala projektować konstrukcje z takimi węzłami w sposób tradycyjny, jak układy ciągłe.

Węzły podatne mają prostsze kształty, są więc korzystniejsze pod względem technologicznym. W konstrukcjach eksploatowanych na terenach pozasejsmicznych preferowane jest stosowanie nieużebrowanych węzłów z blachami czołowymi wystającymi (rys. 14a), zlicowanymi (rys. 14b) lub wpuszczanymi (rys. 14c). Nieużebrowane węzły ram ze stropami wykonywanymi bez zespolenia realizuje się według rys. 14a lub rys. 14b, podczas gdy w stropach zespolonych - według rys. 14b lub rys. 14c, zależnie od sztywności wymaganej w czasie wznoszenia konstrukcji. Sztywność węzła konstrukcji stalowej w okresie montażowym ma umożliwić przeniesienie obciążeń przedeksploatacyjnych. Zmo-nolityzowanie węzła dozbrojonego prętami w strefie rozciąganej umożliwia uzyskanie w fazie dojrzewania betonu sztywności i nośności wymaganej do przeniesienia obciążeń eksploatacyjnych. Obniżenie położenia blachy czołowej węzła pokazanego na rys. 14c zapewnia osiągnięcie odpowiedniej nośności strefy ściskanej po zespoleniu.

Konstrukcję stalową ze stropami zespolonymi i węzłami podatnymi zastosowano w budynku Millennium Tower we Wiedniu (rys. 15).

Rys. 15. Budynek Millennium Tower.

Artykuł niniejszy powstał jako referat zamówiony na XX Międzynarodową Konferencję Naukowo-Techniczną „Konstrukcje Metalowe”, Gdańsk, 6-8 czerwca 2001.

Bibliografia

1.    Augustyn J.: Połączenia spawane i zgrzewane. Arkady, Warszawa 1987.

2.    Augustyn J.: Konstrukcje stalowe u progu XXI wieku. Inżynieria i Budownictwo, nr 7-911998.

3.    Augustyn I: Metody konstruowania i łączenia elementów konstrukcji stalowych. Materiały XV Ogólnopolskiej Konferencji „ Warsztat Pracy Projektanta Konstrukcji", Ustroń 2000.

K«Ns^rmiia:.ii:

stalowe

7(51)

Listopad 2001