Właściwości stali zależą od charakterystyki konkretnego stopu. Zasadniczo stalą jest obrobionym plastycznie i cieplnie stopem żelaza z węglem o gęstości ok. 7,86 g/cm3 i o zawartości węgla w żelazie nie przekraczającej 2,11%. Najważniejszą cechą stali jest wysoka wytrzymałość na rozciąganie i ściskanie. Znaczącą wadą stali jest podatność na korozję. W tym celu do jej produkcji wykorzystuje się domieszki innych pierwiastków. Powierzchnię stali można dodatkowo poddać procesowi galwanizacji oraz ocynkowania. Charakteryzuje się także niską odpornością ogniową, bardzo szybko nagrzewa się i element ulega zniszczeniu.
W elementach stalowych zachodzi do pewnego momentu sprężystość, czyli zdolność materiału do odzyskiwania pierwotnej postaci po zaprzestaniu działania na niego sił powodujących odkształcenie. Po przekroczeniu stanu granicznego sprężystości istotną cechą elementu staje się plastyczność, czyli zdolność materiału do zachowania postaci odkształconej obciążeń po zaprzestaniu ich działania. Wyróżnia się również ważną w procesie produkcji ciągliwość - zdolność materiału pozwalająca na zachowanie jego właściwości podczas obróbki polegającej na jego tłoczeniu, zginaniu lub prostowaniu. Notuje się też twardość, czyli zdolność przeciwstawienia się materiału przy próbie wciskania przedmiotów twardszych (im większy jest procent węgla, tym stal twardsza), oraz udarność, czyli odporność na obciążenia dynamiczne.
Zalety konstrukcji stalowych:
Lekkość konstrukcji
Konstrukcje stalowe charakteryzują się relatywnie niewielkim ciężarem własnym elementów konstrukcyjnych w stosunku do konstrukcji żelbetowych lub drewnianych. Stosowanie stali pozwala na zmniejszenie ciężaru konstrukcji danych elementów obiektu budowlanego takich jak ścian czy stropów, co z kolei pozwala na zmniejszenie obciążeń stałych występujących w konstrukcji. Dzięki lekkości poszczególnych elementów transport jest łatwiejszy do wykonania oraz bardziej ekonomiczny.
Krótki czas i łatwość montażu
W wyniku stosowania specjalistycznych maszyn oraz technologii montaż konstrukcji stalowych jest znacznie szybszy od pozostałych typów. Konstrukcja stalowa od razu po montażu posiada pełną nośność oraz jest gotowa do użytku czy wykonywania dalszych prac, co daje jej przewagę nad konstrukcjami żelbetowymi wymagającymi czasu potrzebnego na związanie betonu. Montaż elementów można prowadzić niezależnie od warunków pogodowych.
Możliwość naprawy i modernizacji konstrukcji
W konstrukcjach stalowych możliwa jest łatwa wymiana elementów wymagających naprawy lub dodawanie kolejnych elementów konstrukcji co pokazuje uniwersalność konstrukcji oraz jej zdolność do modyfikacji.
Łatwość w transporcie
Dzięki swoim właściwościom elementy stalowe są łatwe do transportowania, przenoszenia oraz załadunku, co pokazuje istotną zaletę ekonomiczną całego systemu konstrukcyjnego.
Minimalne wymiary elementów konstrukcyjnych
W stosunku do innych systemów konstrukcyjnych uzyskując te same wartości nośności elementy stalowe posiadają minimalne wymiary przekroi. To powoduje mniejsze zużycie danego materiału, a w konsekwencji dany elementy posiada znacznie mniejszy ciężar własny. Stal znacznie przewyższa inne materiały swoją wytrzymałością, co pozwala również na tworzenie dużo smuklejszych elementów konstrukcyjnych. Skutkiem jest możliwość projektowania elementów o dużej rozpiętości i minimalnym przekroju.
Możliwość adaptacji, dowolność
Stal dzięki swoim właściwościom umożliwia duży zakres rozwiązań konstrukcyjnych, co powoduje szeroki wachlarz rozwiązań dostosowanych do potrzeb projektu. Konstrukcja stalowa może nie tylko stanowić element nośny obiektu budowlanego, ale również posiadać walory estetyczne i stać się jego najważniejszym elementem, nadającym mu charakter.
Zrównoważony rozwój w procesie produkcji, recykling
Przy produkcji elementów stalowych wykorzystuje się stal przetworzoną z innych elementów wyłączonych z użytku. Stal nie traci podczas przetwarzania swoich właściwości, dzięki czemu można ją wielokrotnie przetwarzać nie tworząc przy tym odpadów. Poszczególne elementy mogą być rozmontowane oraz ponownie użyte w zupełnie innym miejscu.
Łatwe w rozbiórce
Łatwość montażu przekłada się również na łatwość rozbiórki danej konstrukcji, co obecnie jest istotnym aspektem przy projektowaniu obiektów budowlanych. Dodatkowo rozmontowane elementy mogą być używane ponownie, a przy procesie rozbiórki zminimalizowane są ilości odpadów.
Gotowe elementy, precyzyjność wykonania elementu konstrukcyjnego
Elementy konstrukcyjne tworzone są jako elementy prefabrykowane, co gwarantuje dokładność oraz precyzję wykonania. Dzięki temu dane elementy obciążone są mniejszym prawdopodobieństwem zniszczenia lub posiadania wady fabrycznej w wyniku zminimalizowanego ryzyka błędu w wykonaniu przy masowej produkcji.
Wady konstrukcji stalowych:
Wymagany wykwalifikowany zespół do montażu
W celu montażu konstrukcji wymagany jest wysoko wykwalifikowany zespół, co wiąże się z dodatkowymi kosztami. Konstrukcje stalowe charakteryzują się brakiem potrzeby użycia dodatkowych materiałów spajających takich jak zaprawy, jednak wymagają wysokich umiejętności przy wykonywaniu wszelkich połączeń tak, aby konstrukcja finalnie spełniała swoją rolę.
Wymagany specjalny sprzęt do montażu
Należy zapewnić odpowiedni sprzęt zapewniający możliwości wykonania danych zaprojektowanych połączeń, przenoszenia elementów oraz umiejscowienia ich odpowiednio do projektu. Potrzeba specjalistycznego sprzętu powoduje zwiększenie kosztów wykonania konstrukcji.
Podatność na działanie czynników zewnętrznych, atmosferycznych, korozja
Stal jako materiał jest bardzo podatna na wszelkie działanie czynników atmosferycznych, w wyniku których ulega procesom zmniejszającym jej właściwości wytrzymałościowe, za które jest ceniona. Jednym z takich procesów jest korozja, która znacząco wpływa na niszczenie stali. W celu zabezpieczenia stali przed negatywnymi skutkami oddziaływania czynników atmosferycznych stosuje się różne rozwiązania takie jak powlekanie specjalnymi preparatami zabezpieczającymi, co dodatkowo podnosi koszty wykonania konstrukcji.
Utrata właściwości w kontakcie z ogniem
W przypadku pożaru stal bardzo szybko traci swoją nośność, co stwarza jeden z największych problemów w powszechnym jej stosowaniu. Jedynym sposobem, aby zapobiec szybkiemu zniszczeniu konstrukcji w przypadku pożaru jest dodatkowe zabezpieczenie elementów przez stosowanie np. odpowiednich substancji zapewniających wydłużenie czasu odporności ogniowej elementom konstrukcyjnym. Wiąże się to z ponoszeniem kolejnych dodatkowych kosztów.
Wrażliwość na temperaturę
Stal jest materiałem uwrażliwionym na temperaturę. W wyniku działania za równo bardzo niskich jak i bardzo wysokich temperatur jej właściwości mogą ulec zmianie, co negatywnie wpływa na konstrukcję obiektów.
Brak właściwości termoizolacyjnych, izolacyjności akustycznej
W porównaniu do innych materiałów stal wypada najmniej korzystnie pod względem termoizolacyjności oraz izolacyjności akustycznej. W celu zapewnienia dogodnych parametrów należy dodatkowo zastosować materiały zapewniające uzyskanie niezbędnych współczynników, co w przypadku stosowania innych materiałów często nie jest konieczne. Stosowanie kolejnych dodatkowych materiałów wiąże się z poniesieniem dodatkowych kosztów.
KLASA STALI
Normy określają pięć klas stali zbrojeniowej: A-0, A-I, A-II, A-III i A-IIIN
Stal przyporządkowana danej klasie ma konkretne zastosowania. I tak: -stal klasy
Zwichrzenie - utrata stateczności ogólnej elementu zginanego. Polega na tym, że pierwotnie płaski dźwigar pod wpływem obciążenia "wychodzi" z płaszczyzny głównej, (w której działa obciążenie), tj. w kierunku prostopadłym do płaszczyzny działania obciążenia, z równoczesnym obrotem przekroju poprzecznego.
Wyboczenie - utrata stateczności ogólnej elementu ściskanego.
Rozróżnia się wyboczenie:
Skręcanie 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.
Granica plastyczności - to wartość naprężenia, przy którym zaczynają powstawać nieodwracalne mikroskopijne odkształcenia plastyczne we wszystkich ziarnach lub naprężenie w którym występuje płynięcie metalu pod wpływem stałego obciążenia. Za umowne kryterium do określenia tej granicy przyjmuje się trwałe odkształcenie względne równe 0,002. Pomiędzy granicą sprężystości a granicą plastyczności rozciąga się obszar częściowej sprężystości (lub częściowej plastyczności).
Granicę plastyczności określa się dla jednowymiarowego stanu naprężenia (najczęściej przy próbie rozciągania). Dla złożonego stanu naprężenia potrzebne jest odpowiednie kryterium uplastycznienia. Granica plastyczności jest często powiązana z wytrzymałością materiału. Wyraźna granica plastyczności to cecha którą określa się materiały (np. niektóre stopy stali), dla których podczas statycznej próby rozciągania można zaobserwować na wykresie zależności naprężenie-odkształcenie wyraźną półkę plastyczną, czyli obszar znacznego przyrostu odkształceń przy niewielkich wahaniach naprężeń.
Klasa przekroju - opisuje stopień odporności elementu na zjawiska miejscowej utraty stateczności w stanach sprężystym i plastycznym.
Połączenie spawane - element konstrukcji złożony z spoiny oraz materiału podstawowego, powstaje przy stopieniu dwóch lub wielu elementów konstrukcji. Stopione elementy mieszając się i tworzą jeziorko spawalnicze. Po usunięciu źródła ciepła i ostygnięciu konstrukcji ciekły metal krzepnie w formie utworzonej przez nadtopione brzegi elementów spawanych i tworzy połączenie spawane potocznie zwane spoiną.
W połączeniu spawanym wyróżniamy cztery podstawowe obszary:
Rodzaje złącz spawanych
Rodzaje spoin ze względu na konstrukcję:
Spoiny czołowe - powstają przy zespawaniu dwóch elementów: ścianki tworzącej grubość jednego z komponentów a drugim modułem. Wyszczególniamy dwa rodzaje spoin czołowych: spoiny z pełnym przetopem, obejmujące całą grubość elementu oraz spoiny z niepełnym przetopem, obejmujące tylko jego część
Spoiny pachwinowe - wykonywane są w rowku między dwoma ściankami spoiny, które nie są ukosowane podczas tworzenia złącz przylgowych oraz kątowych. Spoiny dzielą się na równoboczne i nierównoboczne. Lico w spoinach pachwinowych, może być wypukłe, wklęsłe lub płaskie.
Spoiny brzeżne- wykonuje się je na całej grubości blachy albo jej części przez podgięcie i przetopienie jej brzegów bez dodawania spoiwa. W spoinach brzeżnych istotna jest grubość blachy, która nie może przekraczać 3mm.
Spoiny grzbietowe- podobnie jak spoiny brzeżne wykonuje się na blachach cienkich po części równoległych oraz na podwiniętych brzegach blach. Grubość spoiny jest równa sumie wysokości spawu i głębokości linii wtopienia.
Spoiny otworowe- powstają w wyniku, gdy w jednej z blach występuje otwór podłużny lub okrągły, który wypełnia się spoiwem. Otwór może mieć ścianki ukośne ułatwiające wtopienie.
Spoiny punktowe - powstają poprzez przetopienie jednej z blach i wtopieniem się w blachę znajdującą się pod nią. Występują w złączach zakładkowych.
Rodzaje spoin ze względu na sposób wykonania:
Rodzaje spoin ze względu na sposób wykonania:
Metody spawania:
Spawanie elektryczne- Źródłem ciepła jest łuk elektryczny (temperatura do 3500°C).
Spawanie plazmowe - łuk jarzy się między dwoma elektrodami w celu utworzenia plazmy która w osłonie gazów wypływających z dyszy rozgrzewa elementy łączone.
Spawanie elektrożużlowe - łuk jarzy się między elektrodą a elementem łączonym tylko na początku spawania. Potem elektroda zanurzana jest w jeziorku stopionego metalu a przepływ prądu grzeje ten obszar "rezystancyjnie". Przeznaczone dla łączenia pionowych grubych elementów.
Spawanie laserowe - podobne do spawania plazmowego. Źródłem ciepła jest promień lasera.
Spawanie elektronowe - energię dostarcza skoncentrowana wiązka elektronów. Można wykonać głębokie i wąskie spoiny (20:1) z szybkością 20m/min. Spawanie odbywa się w próżni, więc eliminuje zanieczyszczenie jeziorka spawalniczego.
Warunki wykonania:
Połączenia śrubowe - rozłączne połączenie kształtowe elementów, połączonych dodatkowymi elementami złącznymi (śruby, nakrętki, podkładki). Takie połączenie należą do połączeń pośrednich, ponieważ elementami wiążącymi są dodatkowe elementy złączne. Są najwygodniejszym rodzajem połączeń montażowych stalowych elementów prefabrykowanych na placu budowy. Główną zaletą jest prostota wykonania przy użyciu kilku łączników o dużej nośności.
Kategorie połączeń śrubowych:
Z uwagi na sposób wzajemnego usytuowania łączonych elementów oraz wytężenia łączników połączenia śrubowe dzieli się na:
Złącza zakładkowe i doczołowe mogą być niesprężone lub sprężane. Sprężenie połączeń uzyskuje się wprowadzając wstępny naciąg trzpieni śrub, w wyniku kontrolowanego dokręcenia ich nakrętek. Połączenia, w których śruby nie są wstępnie napięte uważa się za niesprężone (zwykłe).
Warunki wykonania, uwagi dotyczące montażu, doboru odpowiedniego rozwiązania:
Jakie wyróżniamy rodzaje połączeń w konstrukcjach stalowych?
Podział połączeń w konstrukcjach stalowych
Wyróżniamy następujące sposoby ochrony:
Liczne metody zapobiegania korozji i ochrony przed nią wyrobów oraz konstrukcji stalowych można sklasyfikować następująco:
Czym się różni stan sprężysty od stanu plastycznego konstrukcji?
W stanie sprężystym stal, pod wpływem obciążenia ulega odkształceniu. Kiedy pod wpływem tego obciążenia nie zostanie przekroczona granica sprężystości, to po jego usunięciu stal ma zdolność do przyjęcia pierwotnego kształtu. Kiedy zostaje przekroczona granica sprężystości stal przechodzi w stan plastyczny. Stan ten różni się od stanu sprężystego, że odkształcenia wywołane naprężeniami są nieodwracalne.
Imperfekcje - niedoskonałości stanowiące różnicę pomiędzy stanem rzeczywistym, a idealnym elementu (konstrukcji). Są one nieuniknione, gdyż powstają w czasie kolejnych etapów wytwarzania konstrukcji stalowych, tzn. w czasie procesu walcowania w hutach, obróbki technologicznej w czasie produkcji w wytwórniach konstrukcji stalowych oraz podczas montażu na placu budowy. Imperfekcje można klasyfikować z uwagi na przyczyny, miejsce lub skutki ich powstania.
Imperfekcje dzielimy na:
Imperfekcje strukturalne objawiają się niejednorodnym rozkładem właściwości mechanicznych materiału w obszarze przekroju poprzecznego elementu, a także na jego długości. Powstają one na skutek zmienności składu chemicznego stali oraz sposobu odtleniania stali podczas jej wytapiania, segregacji składników stopowych oraz zmian w mikrostrukturze stali w czasie procesu walcowania, a także na skutek szybkości chłodzenia po walcowaniu. Przykładem tego typu niedoskonałości materiału jest zmienność wartości granicy plastyczności stali. Zgniot materiału występujący podczas walcowania na zimno, przecinanie materiału na nożycach gilotynowych lub podczas przebijania otworów na dziurkarkach, również powoduje zmiany właściwości mechanicznych stali.
Imperfekcje technologiczne objawiają się przede wszystkim, jako naprężenia własne, rozłożone nierównomiernie w obszarze przekroju poprzecznego elementu oraz na jego długości. Najważniejszymi procesami wytwórczymi, w których powstają naprężenia własne są: walcowanie, sprężanie i inne operacje warsztatowe, jak: prostowanie, cięcie i nitowanie. Drugim rodzajem imperfekcji technologicznych są naprężenia spawalnicze powstające w czasie procesu spawania i powodujące tzw. odkształcenia spawalnicze.
Imperfekcje geometryczne to wszelkie odchylenia geometrii konstrukcji od założonego idealnego kształtu, a więc wszelkie deformacje przekroju poprzecznego, zmienność długości i prostoliniowości prętów, niezamierzone odchylenia od pionu lub poziomu a także od projektowanego wygięcia prętów, przypadkowe mimośrodowe łączenia elementów, wzajemne przesunięcia prętów względem siebie, lokalne wybrzuszenia płyt lub powłok, itd. Przyczyny powstawania imperfekcji geometrycznych są bardzo różnorodne. Imperfekcje przekroju poprzecznego kształtowników walcowanych na gorąco powstają wskutek zużycia walców. Imperfekcje osi podłużnej prętów dotyczą przede wszystkim odchyleń od ich idealnego położenia jako linii prostej. Te odchylenia są skutkiem wytwarzania części elementów konstrukcyjnych głównie podczas walcowania na gorąco i podczas poddawania kształtowników różnym procesom termicznym i mechanicznym w czasie produkcji w wytwórni. Na rys. 1.16. przedstawiono przykładowe imperfekcje geometryczne w formie różnego kształtu wygięć prętów lub mimośrodowego położenia prętów.
Omówić różnice między przegubem zwykłym, a przegubem plastycznym.
Różnice są następujące:
W belkach statycznie wyznaczalnych graniczne obciążenie plastyczne jest tożsame z nośnością graniczną, gdyż pełne uplastycznienie przekroju jest równoważne powstaniu w nim przegubu plastycznego, co czyni belkę kinematycznie zmienną.
W belkach statycznie niewyznaczalnych powstanie jednego przegubu plastycznego zazwyczaj nie czyni belki geometrycznie zmienną, a tylko obniża jej stopień statycznej niewyznaczalności. Stąd w belce n-krotnie statycznie niewyznaczalnej maksymalna liczba przegubów plastycznych, potrzebna do zamiany belki w mechanizm wynosi n+1.
Omówić dokumentację podczas wykonywania i montażu konstrukcji stalowych.
Dokumentację konstrukcji stalowych określają, poza podstawowymi przesłankami z prawa budowlanego, specyficzne wymagania. Dokumentacja taka powinna zawierać projekt techniczny wraz ze specyfikacją techniczną (określającą wymagania odnośnie wykonania), rysunkami warsztatowymi (wg PN-ISO 5261, PN-ISO 8991 i PN-EN 22553), wykazami stali i łączników, schematami montażowymi i szczegółami połączeń.
W tak przygotowanej dokumentacji pojawić mają się wymagania odnośnie tolerancji wymiarowych, badań, odbioru, spoin, przygotowania i obróbki powierzchni styku, ograniczeń technologicznych, wymiarowych i zależnych od masy, sposobu przygotowania powierzchni i zabezpieczenia ich przed korozją oraz ogniem.
Dokumentacja taka musi też opisywać wymagania odnośnie planu jakości w kwestiach zakresu i rodzaju dokumentów składających się na niego. Plan jakości zaś powinien określać:
Kratownica - rodzaj konstrukcji prętowej, której schemat statyczny tworzą elementy: będące prętami prostymi, połączone przegubowo w węzłach, z siłami przyłożonymi wyłącznie w węzłach.
Konstrukcje stalowe w odróżnieniu od konstrukcji betonowych są bardzo mało odporne na działanie wysokich temperatur. Jest to spowodowane faktem, iż stal szybko traci swoje właściwości nośne pod wpływem działania ognia. Temperatura krytyczną dla której stal traci połowę swojej wytrzymałości (w przypadku stali niskowęglowej oraz niskostopowej) to 540 - 750 K. Ta wartość zostaje przez przeciętną konstrukcje stalową osiągnięta w ciągu 10 minut, a w sytuacji gdy obecne są również palne gazy i łatwopalne płyny - nawet w ciągu 1 s. Jest to realne zagrożenie dla użytkowników takich budowli. Czas na ewakuacje znacząco się zmniejsza i aby przedłużyć nośność elementów stalowych w przypadku pożaru stosuje się rozwiązania materiałowe mające przedłużyć okres bez negatywnego oddziaływania zbyt wysokiej temperatury .Konieczne jest wykonanie takiej ochrony przeciwpożarowej, która zabezpieczy przed przedwczesnym występowaniem tzw. temperatury granicznej w stali, pod wpływem której następuje zniszczenie elementu konstrukcyjnego.
Wyróżnić możemy dwa typy ochrony przeciwpożarowej:
Ochrona bierna słupów
Jest to bardzo estetyczne rozwiązanie, ponieważ pozwalają za pomocą bardzo niewielkich grubości (100-5000 mikronów) nadać elementom dodatkową odporność w postaci R15 do R60. Farby pęczniejące w przeciwieństwie do pianek mają konsystencję zbliżoną do zwykłej farby i są najczęściej wodorozcieńczalne. W przypadku wybuchu pożaru i osiągnięciu 100 st. C. w farbie rozpoczynają się procesy chemiczne, które sprawiają że farba pęcznieje (nawet w stosunku 1:50 - czyli z 1 mm nominalej powłoki uzyskamy 5 cm izolacji ogniowej elementu stalowego) Zaletą stosowania farb pęczniejących jest równiż odporność na pęknanie, ścieranie i zabrudzenia, wysoka wydajność oraz fakt iż farba jest nietoksyczna i przyjazna dla środowiska.
Z takim typem zabezpieczania słupów stalowych czy każdych innych konstrukcji stalowych mamy do czynienia głównie w rafineriach czy halach produkcyjnych. Wynika to z faktu iż uzyskuje się nieciekawą i nieestetyczną powierzchnie elementów, która nie jest tak istotna w tego typu budynkach. Stosuje się jednak je również w budownictwie wielorodzinnym (np. na klatkach schodowych) oraz w garażach ze względu na bardzo dobre właściwości izolacji akustycznej. Z tego również powodu rozwiązanie to zastosowano przy budowie metra Warszawskiego. Dzięki odpowiedniej grubości warstwy masy natryskowej możliwe jest podniesienie klasy odporności do R30, R60, R120 czy R240 i uzyskanie wymaganej klasy ogniowej jak dla stropu żelbetowego.
Innym rozwiązaniem jest zastosowanie okładziny z płyt ognioochronnych, które umożliwią uzyskanie odporności konstrukcji stalowej na poziomie klas R30 - R240. Składają się one z mieszanki magnezowo-wapienno-krzemiankowej wzmocnionej siatką z włókna szklanego i pokryty warstwą celulozy. Takie rozwiązanie stosuje się nie tylko w stosunku do słupów ale także jako zabudowę szachtów czy wykończenie ścian, sufitów i podłóg. Przewaga tego rozwiązania nad innymi przejawia się w fakcie, iż możliwe jest uzyskanie wysokiej klasy odporności ogniowej (nawet do R240), ograniczone zostaje do minimum zanieczyszczenie otoczenia w trakcie wykonywania prac oraz na zamontowanych na stelażach płytach można kleić płytki czy malować dyspersyjnymi farbami.
Odporność ogniowa jest to zdolność danego elementu budynku (np. ściana, belki, izolacja) do spełnienia wymagań podczas pożaru w określonym czasie. Czas ten opisany w minutach przedstawia moment od rozpoczęcia pożaru do osiągnięcia przez element budynku jednego z trzech kryteriów granicznych:
Nośność ogniowa - jest to zdolność danego elementu do wytrzymania oddziaływania ognia przy określonych oddziaływaniach mechanicznych przez określony czas, bez utraty stabilności konstrukcji.
Przy stropach i dachach (elementach zginanych) ważna jest prędkość ugięcia i rzeczywiste ugięcie a przy słupach i ścianach (elementach obciążonych osiowo) ważna jest prędkość deformacji
Szczelność ogniowa - jest to zdolność elementu do utrzymania oddziaływania ognia tylko na jednej stronie, nie naruszając strony nie nagrzewanej płomieniami lub gazami, wyrażana w minutach.
Izolacyjność ogniowa - jest to zdolność elementu do spełnienia bezpiecznego oddzielenia powierzchni nie nagrzewanej od temperatury granicznej, wyrażona w minutach.
Klasy odporności ogniowej można podzielić na kilka elementów:
Dla każdej klasy odporności pożarowej budynku - A,B,C,D,E klasy odporności ogniowej mogą się różnić. Zależy to od wysokości budynku, jego przeznaczenia oraz od kategorii ZL.
Dla klasy A, (czyli klasy w której maksymalna gęstość obciążenia ogniowego strefy pożarowej w budynku wynosi Q>4000) klasa odporności ogniowej będzie najwyższa.
Omówić sposób konstruowania połączenia podciągu z żebrem stalowym.
Istnieją różne sposoby połączeń blachownic z belkami poprzecznymi - żebrami - w stropach stalowych. Poniżej zaprezentowane przykłady połączeń podciągu o przekroju blachownicowym z żebrem o przekroju dwuteowym walcowanym na gorąco obejmują:
Widoczne na rysunkach zaokrąglenia w narożnikach elementów są konieczne w celu uniknięcia w tych miejscach pęknięć:
Powyżej pokazane przykłady odnoszą się do żeber w schemacie statycznym szeregu belek swobodnie podpartych. Jeśli jednak belki stropowe - żebra - zostały zaprojektowane jako ciągłe, ich połączenia z blachownicą oraz uciąglenie można wykonać w sposób pokazany poniżej:
Jakie są zasady projektowania żeber usztywniających w konstrukcjach stalowych (żebra pionowe i podłużne)?
Żebra usztywniające poprzeczne zaleca się stosować nad podporami belek oraz w miejscach przyłożenia znacznych obciążeń zewnętrznych wtedy, kiedy nośność środnika jest niewystarczająca. Żebra usztywniające poprzeczne i podłużne (bądź tylko poprzeczne) stosuje się również wówczas, gdy zachodzi potrzeba usztywnienia smukłych ścianek (przeważnie środników) o przekroju klasy 4.
Przy sprawdzaniu nośności (stateczności) żeber należy przyjmować efektywne pole przekroju żebra brutto wraz z efektywnymi odcinkami środnika, których długość z każdej strony żebra jest ograniczona do wartości 15st i nie wynosi więcej niż połowa odległości od żebra sąsiedniego
Siłę podłużną w żebrze poprzecznym przyjmuje się równą sumie siły poprzecznej i ewentualnych obciążeń zewnętrznych. Dla zwiększenia nośności przekroju belki, w sytuacjach, kiedy jest to obliczeniowo lub konstrukcyjnie uzasadnione stosuje się żebra usztywniające środnik. Na ogół nie stosuje się żeber usztywniających pas. Stateczność lokalna pasa zapewnia się poprzez dobór odpowiedniej grubości tf. Wyjątkiem mogą być pasy przekrojów skrzynkowych, które wzmacnia się przeponami wewnątrz przekroju. Rozstaw żeber powinien być tak dobrany, aby spełnione były warunki nośności przekroju belki z uwzględnieniem stateczności lokalnej.
W przypadku żeber usztywniających środnik belki rozróżnia się żebra poprzeczne i podłużne. Przekrój żebra poprzecznego dobieramy z warunku nie zbędnej sztywności (nie ogranicza się klasy przekroju żebra poprzecznego). Żeberka podporowe oraz żebra pod siłami skupionymi należy dodatkowo sprawdzić na ściskanie z wyboczeniem - jak słupy częściowo utwierdzone na podporach.
Żebra podłużne:
Żebra poprzeczne:
W jaki sposób dobiera się wstępny wymiar żebra stalowego w stropie stalowym?
Projektując żebro stalowe należy w pierwszej kolejności odpowiednio dobrać rozstaw żeber oraz ich rozpiętość. Następnie dobiera się wysokość przekroju poprzecznego żebra, którą przyjmuje się jako 1/20 - 1/25 jego rozpiętości. Na tej podstawie dobiera się kształtownik o dobranej wysokości.
W początkowej fazie projektowania dźwigara kratowego należy dobrać jego wysokość.
Wysokość konstrukcyjną kratownic o pasach równoległych oraz dwuspadowych w kalenicy przyjmuje się jako 1/10 - 1/12 rozpiętości. Najefektywniejsze pod względem wysokości są kratownice jednoprzęsłowe, natomiast najgorzej wypadają kratownice z podniesionym pasem dolnym, dla których ze względu na działanie efektu kopułowego należy dobrać mniejszą wysokość.
Narysować na wykresie naprężenie-odkształcenie zakres sprężysty oraz plastyczny pracy elementów stalowych.
Poniżej został przedstawiony wykres zależności naprężenie - odkształcenie obrazujący zakres sprężysty oraz plastyczny pracy elementów stalowych:
Na tej wykresie odkształcenie jest względnym wydłużeniem (narysowano nie w skali). Kiedy obciążenie stopniowo wzrasta, zachowanie liniowe (czerwona linia) rozpoczynające się w punkcie bez obciążenia (początek układu) kończy się na granicy liniowości (proporcjonalności) w punkcie H. W przypadku dalszego wzrostu obciążenia powyżej punktu H relacja naprężenie-odkształcenie staje się nieliniowa, ale pozostaje sprężysta. Na rysunku obszar nieliniowy znajduje się między punktami H i E. Coraz większe obciążenia przesuwają naprężenia ku granicy sprężystości E, gdzie kończy się sprężyste zachowanie i rozpoczyna odkształcenie plastyczne. Poza granicą sprężystości, gdy obciążenie ustaje, na przykład w punkcie P, materiał odkształca się do nowego kształtu i rozmiaru wzdłuż zielonej linii. Oznacza to, że jest on trwale odkształcony i nie powraca do pierwotnego kształtu i wielkości, gdy naprężenie staje się zerowe. Materiał ulega odkształceniom plastycznym w przypadku dużych obciążeń powodujących naprężenia wykraczające poza granicę sprężystości w punkcie E. Pozostaje plastycznie odkształcony, aż naprężenie osiągnie punkt pęknięcia (punkt zerwania). Za nim nie ma już jednej próbki materiału, więc wykres się kończy. Granice liniowości, sprężystości i plastyczności oznaczają zakres wartości, a nie jeden wyraźny punkt.
Ugięcia konstrukcji są związane z stanem granicznym użytkowalności, uwzględnianym przy procesie projektowania i wymiarowania konstrukcji. Sprawdzenie stanu granicznego użytkowalności ma na celu wyeliminowanie możliwości wystąpienia przemieszczeń i drgań konstrukcji uniemożliwiających poprawne funkcjonowanie i użytkowanie obiektu. W związku z czym wszystkie projektowane elementy konstrukcji powinny mieć ugięcia i przemieszczenia poziome mieszczące się w dopuszczalnych granicach zawartych w specyfikacjach projektowych.
Na poniższym schemacie przedstawione zostały schematycznie ugięcia występujące w elementach konstrukcji.
Proces projektowania i realizowania wszystkich konstrukcji stalowych powinien być tak przeprowadzony aby spełniał wszystkie kryteria użytkowalności. Zasady odnoszące się do wartości ugięć granicznych muszą zapewniać komfort użytkowników oraz funkcjonalność obiektu. Zgodnie z normą PN-EN 1993-1-1 graniczne ugięcia i przemieszczenia powinny być uzgodnione z inwestorem i umieszczone w dokumentacji projektowej.
W Eurocodzie 3 nie zostały dokładnie określone graniczne wartości ugięć jednak z punktu widzenia procesu projektowego istotne jest uwzględnienie ich maksymalnych wartości dopuszczalnych, które określone są zazwyczaj w załącznikach krajowych do EN 1993-1-1.
Poniższa tabela przedstawia zalecane wartości ugięć odnoszących się do poszczególnych podstawowych typów elementów konstrukcji.
|
ELEMENTY KONSTRUKCJI |
Wmax,W3 <= |
|
|
1. |
Dach- dźwigary kratowe i pełnościenne |
L/250 |
|
2. |
Płatwie |
L/200 |
|
3. |
Blacha profilowana |
L/150 |
|
4. |
Stropy i stropodachy -belki główne- podciągi -belki drugorzędne |
L/350 L/250 |
|
5. |
Nadproża okien i bram |
L/500 |
|
|
Oznaczenia: L - rozpiętość elementu lub podwójny wysięg wspornika Wmax - ugięcie maksymalne- całkowite netto, wyznaczane przy uwzględnieniu odwrotnej strzałki wygięcia W3 - ugięcie występujące na skutek działania obciążenia zmiennego przy odpowiednich kombinacjach oddziaływań |
|
Nawiązując do załącznika krajowego do normy PN-EN 1993-1-1 gdzie również wspomniane zostało, aby przemieszczenia poziome konstrukcji nie przekraczały wartości granicznych:
Oznaczenia: H-odległość rozpatrywanego rygla względem fundament
Podział hal stalowych ze względu na przeznaczenie:
Klasyfikacje hal stalowych ze względu na liczbę naw:
Klasyfikacje hal stalowych ze względu na obudowę:
W halach stalowych można zastosować przegubowe konstrukcje ramowe, dachy podwieszane bądź dachy łukowe.
Konstrukcje sztywne możemy podzielić na 2 kategorie:
Konstrukcje sztywne uzyskuje się poprzez łączenie końców belek dachowych ze słupami konstrukcji. W ten sposób otrzymujemy ramę, która jest zdolna do przenoszenia obciążeń i jest samonośna, a same połączenia są odporne na zginanie.
Ramy portalowe to ramy sztywne z połączeniami odpornymi na zginanie, mogą one być jednonawowe lub wielonawowe. Okładzina dachowa i ścienna jest umieszczona na płatwiach i szynach bocznych. Wynika z tego, że strop takiej hali jest uzależniony od rodzaju konstrukcji, w tym przypadku jest to element ramy portalowej, na której ułożone są płatwie, a następnie obicie dachu.
Możemy wyróżnić kilka rodzajów ram portalowych, ze względu na wymiar i rodzaj konstrukcji:
Ramy kratownicowe to rodzaj konstrukcji, której schemat statyczny tworzą:
Kratownica składa się z pasa górnego, dolnego, słupków oraz krzyżulców. Na takiej kratownicy następnie układa się podłużnice i poprzecznice, bądź płatwie i krokwie, a na tym obicie dachu.
Możemy wyróżnić kilka rodzajów kratownic ze względu na kształt:
Kolejnym typem konstrukcji stalowej jest konstrukcja belka - słup. Jest to konstrukcja z ramą przegubową, w której belki ułożone równolegle są wsparte na słupach, a ich połączenie jest przegubowe lub podatne. Na dachu musi znaleźć się stężenie, aby zapewnić lepszą stabilność całej konstrukcji oraz przenoszenia obciążenia od wiatru.
Dachy podwieszane są to konstrukcje, które za pomocą słupa, elementów rozciąganych oraz belki tworzą wspólnie układ, na którym można oprzeć poszycie dachowe. W takich konstrukcjach cały układ jest na widoku, więc podczas projektowania warto dbać również o estetykę całego projektu. Takie konstrukcje stawia się obok siebie jako połączone.
Dachy łukowe, jak sama nazwa mówi składają się z łuków o różnym promieniu, w zależności od rozpiętości między elementami podparcia oraz chcianej wysokości dachu. Mogą one mieć kształt okrągły bądź paraboliczny. Ważnym elementem takiego dachu jest podparcie, bowiem musi ono być zaprojektowane, w taki sposób, aby mogło wyrównać siły poziome.
Do wykonania stężeń najczęściej wykorzystuje się pręty o przekrojach: kątowników lub prętów pełnych ze śrubami rzymskimi pozwalające na likwidację ewentualnych luzów. Zwykle wykonuje się je jako stężenia typu X, zakładając że pręty ściskane ulegną sprężystemu wyboczeniu.
Zadaniami stężeń w konstrukcjach stalowych jest:
Wsród stężeń wyróżniamy: stężenie połaciowe poprzeczne, stężenie połaciowe podłużne, stężenie ścienne poprzeczne (stężenie ściany szczytowej), stężenie ścienne podłużne oraz tężnik dachowy pionowy.
Stężenie połaciowe poprzeczne zwane również stężeniem dachowym poziomym poprzecznym bierze udział w przenoszeniu sił poziomych od działania wiatru na ścianę szczytową oraz zwiększa nośność górnego pasa kratownicy przez skrócenie jego długości wyboczeniowej.
Takie stężenie stosuje się na całej szerokości dachu, co najmniej w dwóch skrajnych lub sąsiadujących ze skrajnymi polach siatki podpór, tam gdzie występują stężenia ścian podłużnych, a także nie rzadziej niż co 8 pole.
Stężenie połaciowe podłużne stosuje się przy okapie dachu wówczas, gdy zachodzi konieczność przeniesienia sił prostopadłych do ścian podłużnych i stworzenia podpór pośrednich słupów ściany zewnętrznej.
Stężenia połaciowe podłużne dachów hal projektuje się, gdy rozstaw słupów głównych jest większy od rozstawu rygli dachowych lub gdy stosuje się słupy pośrednie konstrukcji wsporczej obudowy ścian.
Tężnik połaciowy pionowy stosuje się w celu zapewnienia bezpiecznego montażu konstrukcji oraz zmniejszenia smukłości dolnych pasów kratownicy. Jest to szczególnie ważne, gdy w dolnym pasie występuje ściskanie, na przykład w przypadku zastosowania lekkich pokryć dachowych.
Stężenia dachowe pionowe umieszcza się co najmniej tam, gdzie występują stężenia połaciowe poprzeczne, w miejscach załamania pasów kratownic, w kalenicy lub gęściej w węzłach wiązara. W uzasadnionych przypadkach można je stosować na całej długości dachu.
Stężenia ścienne podłużne zapewniają stateczność podłużną układu nośnego hali oraz uczestniczą w przenoszeniu sił od działania wiatru na ściany szczytowe oraz przekazują je bezpośrednio na fundamenty. Umieszczane są tych samych polach co stężenia połaciowe poprzeczne.
Wyróżniamy następujące elementy konstrukcyjne:
Płatwie - stalowe elementy konstrukcji pokrycia dachu. Przenoszą obciążenia od wiatru, śniegu, ciężar pokrycia oraz ew. obciążenia użytkowe. Układane są równolegle do kalenicy dachu i w poprzek do dźwigarów kratowych. Najczęściej występujące przekroje: Z-owe, C -owe, Dwuteowe.
Dźwigary kratowe - stalowe elementy konstrukcji przenoszące obciążenia z dachu i płatwi na słupy. W teorii kratownice są ustrojami prętowymi, składającymi się z prętów prostych połączonych przegubowo bez mimośrodów. Obciążenia przykładane są tylko w przegubach dzięki czemu nie powstają momenty zginające, a jedynie siły normalne.
W praktyce jednak umieszcza się obciążenia poza węzłami, a pręty łączone są w węzłach z mimośrodami. Najczęściej występujące przekroje: Z-owe, C -owe, T-owe, L-owe, Dwuteowe, Rurowe, Kwadratowe.
Słupy - stalowe elementy służące do przeniesienia obciążeń z kratownicy na fundament. Najczęściej pionowe i ściskane osiowo, jednak bywają celowo pochylane i obciążane mimośrodowo.
Ze względu na przekrój dzielą się na:
Stopy fundamentowe - elementy służące do przeniesienia obciążeń budynku na grunt. W stopie lub na niej zakotwiony jest słup - przegubowo lub z utwierdzeniem.
Stężenia - pomniejsze elementy, które mają za zadanie zwiększyć sztywność konstrukcji oraz jej wytrzymałość. Przy słupach zmniejszają wyboczenia. Przy płatwiach zwiększają sztywność i wytrzymałość na obciążenia śniegiem i wiatrem, a przy kratownicach zmniejszają ugięcia i zwiększają wytrzymałość.
Wyróżniamy następujące elementy słupa stalowego:
Omówić różnicę między słupem jednogałęziowym, a słupem wielogałęziowym.
Wyróżniamy następujące elementy
Główną różnicą pomiędzy wyżej wymienionymi słupami jest ich przekrój poprzeczny trzonów. Pierwsze z nich to przekroje pełnościenne z profili np. dwuteowych, rurowych. Zaś słupy wielogałęziowe to przekroje składające się np. z dwóch ceowników, dwóch lub trzech dwuteowników itd.
Jakie wyróżniamy sposoby kształtowania przewiązek w słupach wielogałęziowych?
Przewiązki, czyli prostokątne blachy pomagają w przenoszeniu obciążeń przez trzon słupa i przenoszą siły ścinające. Projektujemy je przy dużych długościach wyboczeniowych słupa, ale niewielkich siłach ściskających. Minimalna ilość przewiązek i ich rozstaw zależy od wysokości słupa i promienia bezwładności jego gałęzi. Minimalna ilość przewiązek to 3 o optymalnym rozstawie co 1m (zaleca się jednak zaprojektowanie parzystej liczby). Przy pierwszej przewiązce należy zachować odstęp od szczytu słupa długości 5cm. Minimalna szerokość przewiązki wynosi 10 cm, a grubość 6 mm. Wysokość przewiązki powinna być większa niż połowa wartości obrysu zewnętrznego trzonu słupa ale nie większa niż ta wartość.
Wyboczeniem słupa ściskanego siłą osiową P, nazywamy nagłe wygięcie słupa w kierunku prostopadłym do osi podłużnej. Wyboczenie jest to forma utraty stateczności układu.
Długość wyboczeniowa słupa zależy od:
Ramy portalowe są najczęściej wykorzystywane w budownictwie przemysłowym oraz budynkach handlowych, ponieważ mają bardzo szerokie zastosowanie. Dodatkową zaletą stalowej ramy są niskie koszty, łatwy i szybki sposób produkcji.
Stalowa rama portalowa przenosi obciążenia (ciężar własny, śnieg, wiatr) na fundamenty i grunt. Zazwyczaj stosuje się przegubowe łączenia przy fundamentach ze sztywnym łączeniem w okapie i kalenicy, aby posiadało odpowiednią sztywność i nośność na zginanie. Jeśli warunki podłoża na to pozwalają można zastosować połączenia sztywne również przy fundamentach. Zalecane są spoiny pachwinowe.
Aby pomóc w przenoszeniu obciążeń przez ściany boczne, stosuje się dodatkowe stężenia. Rozstaw traktów w ramach portalowych między 4,5m a 10m (najczęściej 6-8m). Aby zmniejszyć wymaganą wysokość rygla dachowego i osiągnąć wymaganą nośność można zastosować skosy przy kalenicy i okapie. Skos okapowy większa nośność na zginanie rygla dachowego pozwalając na jego mniejszy oraz zapewnia odpowiednią wysokość przekroju w styku rygiel/słup. Wykonywany z kształtownika walcowanego na gorąco albo ze spawanych blach. Skos kalenicowy łączy elementy rygla dachowego. Zwykle jest wykonywany z blach. Przy ramie portalowej z suwnicą, suwnica nie ma wpływu na wymiary ramy, powoduje dodatkowe siły które mają znaczenie przy obliczeniach. Stężenia są wymagane w ryglach i w ścianach bocznych by zapewnić stateczność konstrukcji oraz zapewniać nośność przy obciążeniu wiatrem w kierunku podłużnym. W miejscach przegubów powinny być zaprojektowane stężenia skrętne na górze słupa, pod skosem okapowym.
Przykładowe kształty ram portalowych:
Podstawowe parametry:
Blachownica - jest dźwigarem o przekroju poprzecznym zespawanym z blach. To elementy stalowe wykonane poprzez odpowiednie połączenie (najczęściej zespawanie) nominalnie płaskich blach w celu utworzenia przekroju cienkościennego otwartego lub zamkniętego.
Blachownice można projektować jako:
Dla belek o długości maksymalnego przęsła , w których ograniczono ugięcia do wysokość środnika można wstępnie oszacować z warunków:
