7_KOZŁOWSKI.pdf

Aleksander

KOZŁOWSKI *

KSZTAŁTOWANIE I OBLICZANIE WĘZŁÓW RAM

Z UWZGLĘDNIENIEM ICH CECH PODATNOŚCIOWYCH

1. Wprowadzenie

Proces

projektowania

konstrukcji

stalowych

składa

się

trzech,

wzajemnie

powiązanych, etapów:

- kształtowania konstrukcji,

- obliczeń statycznych i sprawdzania stanów granicznych,

- konstruowania.

W etapie pierwszym projektant, we współpracy z architektem, na podstawie własnego

doświadczenia, intuicji, wyników wstępnych obliczeń, dokonuje wyboru rozwiązań

materiałowo-konstrukcyjnych obiektu oraz rozmieszczenia, ukształtowania i przyjęcia

wstępnych wymiarów głównych elementów konstrukcyjnych.

W etapie drugim dokonuje się zestawienia obciąŜeń, ich kombinacji, określenia modelu

obliczeniowego konstrukcji (schematu statycznego), wyboru metody analizy globalnej,

wykonywane są obliczenia statyczne oraz sprawdzenie wymaganych stanów granicznych,

stosownie do aktualnych wymagań normowych.

Etap trzeci obejmuje ostateczne nadanie kształtu poszczególnym elementom

konstrukcyjnym, ich połączeniom i węzłom, w postaci wyartykułowanej na rysunkach

wykonawczych i roboczych.

Etap trzeci jest niezmiernie waŜny, gdyŜ konstrukcja będzie zachowywać się i reagować

na obciąŜenia, nie według przyjętego w etapie drugim modelu konstrukcji, lecz tak jak na to

Prof. dr hab. inŜ.; Politechnika Rzeszowska

475

pozwolą więzi zewnętrzne i wewnętrzne, czyli rzeczywisty rozkład sztywności elementów,

połączeń i węzłów. Dlatego, aby zapewnić bezpieczeństwo projektowanej konstrukcji, musi

być ścisła

spójność

modelu

obliczeniowego

konstrukcji

jej

konstrukcyjnym

ukształtowaniem.

Ze względu na brak narzędzi obliczeniowych w erze przedkomputerowej, projektanci

ramowych konstrukcji stalowych stosowali wiele uproszczeń i metod przybliŜonych, w

szczególności:

- upraszczano model obliczeniowy konstrukcji do układów płaskich,

- pomijano współpracę płyt stropowych i tarczowych elementów ścian,

- węzły modelowano w sposób uproszczony jako, albo idealnie przegubowe, lub w pełni

sztywne.

Projektanci, zdając sobie sprawę ze skutków takich uproszczeń, szczególnie w

modelowaniu węzłów, konstruowali węzły „sztywne” w postaci silnie uŜebrowanych,

rozbudowanych połączeń (rys. 1a), a węzły „przegubowe” w postaci tzw. przegubów

technicznych (rys. 1b), stawiających jak najmniejszy opór na obrót - aby uzyskać

maksymalną adekwatność tych rozwiązań do przyjętego, uproszczonego schematu

statycznego.

Rys. 1. Przykłady konstruowania węzłów:

a) „sztywnego”, b) „przegubowego”, c) podatnego

Obecnie, wobec wybuchowego rozwoju metod komputerowych, dostępności

oprogramowania do modelowania wszelkich zagadnień inŜynierii lądowej (przestrzenne

modele konstrukcji, zjawiska niestateczności, dynamiki i sejsmiki, współpracy róŜnych

materiałów itp.) nie ma potrzeby, a nawet jest anachronizmem, utrzymywanie w

projektowaniu, dziewiętnastowiecznych schematów statycznych konstrukcji.

Dodatkowym, niezmiernie mocnym czynnikiem wpływającym na zmianę spojrzenia na

modelowanie węzłów, jest rozwój technologii wytwarzania konstrukcji stalowych. Pełna

automatyzacja procesu wytwarzania, od automatycznego cięcia, wiercenia otworów,

spawania, przygotowania do ocynkowania itp. powoduje ogromny nacisk wytwórców na

upraszczanie rozwiązań konstrukcyjnych węzłów, aby nie zakłócać szybkiego przepływu

materiałów na linii produkcyjnej, przez konieczność ręcznych robót spawalniczych, np.

spawania Ŝeber usztywniających, nakładek, blach węzłowych.

Ewolucję rozwiązań doczołowych węzłów spawanych przedstawiono na rys. 2. Takie

uproszczenia konstrukcji węzłów spowodowały pojawienie się rozwiązań, które trudno

nazwać sztywnymi, a z pewnością nie są teŜ przegubowymi – powstała kategoria węzłów

podatnych (rys. 1c, 2c). RównieŜ węzeł pokazany na rys. 2b nie moŜe być uznany za w

476

pełni sztywny, ze względu na brak Ŝebra ukośnego, co sprawia, Ŝe panel środnika węzła

ulega odkształceniom postaciowym. Zmiana sposobu konstruowania węzłów wymaga

uwzględnienia w modelu obliczeniowym konstrukcji.

Rys. 2. Ewolucja rozwiązań doczołowych węzłów spawanych:

a) węzeł skonstruowany jako sztywny, b) węzeł uwaŜany za sztywny, c) węzeł podatny

Tradycyjnie stosowane procedury obliczania ramowych konstrukcji stalowych

przedstawiono na rys. 3a. Obliczanie połączeń i węzłów odbywało się w końcowym etapie

obliczeń, na podstawie wartości sił wewnętrznych otrzymanych z obliczeń statycznych.

1.Idealizacjakonstrukcji:

wymiaryosiowe,określenietypówiprzekrojówprętów

schematstatyczny,wybórtypówiwymiarówwęzłów

1.Idealizacjakonstrukcji:

wymiaryosiowe,określenietypówiprzekrojówprętów

schematstatyczny,węzłysztywnelub(i)przegubowe

2.Określeniecharakterystykwęzłów:

sztywnościpoczątkowejS j,ini

nośnościobliczeniowejM j,Rd

2.ZestawienieobciĄŻeŃ iustalenieichkombinacji

3.Klasyfikacjawęzłów:

zewzględunanośność:nominalneprzegubowe,oczęściowejnośności,opełnejnośności

zewzględunasztywność:nominalnieprzegubowe,podatne,sztywne

3. Analizastatyczna

4.SprawdzeniestanówgranicznychnoŚnoŚci(SGN)

iuŻytkowania(SGN)

4.Zestawienieobciążeń iustalenieichkombinacji

5. Analizastatycznazuwzględnieniempodatnościwęzłów

5.ProjektowaniepoŁĄczeŃ

6.SprawdzeniestanówgranicznychSGNiSGUprętów

7.Ocenabezpieczeństwawęzłów

Rys. 3. Procedury projektowania ramowych konstrukcji stalowych:

a) tradycyjne, b) współczesne

Obecnie, wobec pojawienia się kategorii węzłów podatnych, naleŜy stosować

zmodyfikowaną procedurę, pokazaną na rys. 3b, gdzie charakterystyki podatnościowe

węzłów powinny być uwzględniane na etapie obliczeń statycznych, co wpływa na wyniki

tych obliczeń.

477

2. Zagadnienie węzłów podatnych

2.1. Geneza problemu

Świadomość konieczności zapewnienia zgodności rozwiązań konstrukcyjnych węzłów z

załoŜonym schematem statycznym skłaniała projektantów do stosowania odpowiednich

rozwiązań. Na rys. 4 pokazano przykład wyidealizowanego modelu konstrukcji ramowej

i zastosowanych węzłów. Węzły załoŜone jako sztywne konstruowano jak na rys. 4a, z

zastosowaniem silnego uŜebrowania, skosów itp., a w przypadku węzłów załoŜonych jako

przegubowe, do połączenia belki ze słupem stosowano przykładkę łączącą śrubami

zgrubnymi środnik belki ze słupem, lub opierano belkę na stoliku podporowym (rys. 4b).

Rys. 4. Schemat statyczny ramy i rozwiązania węzłów: a) sztywnych, b) przegubowych

Pierwsze badania doświadczalne węzłów stalowych wykonano w początkach XX wieku.

Wykonane w następnych latach liczne badania doświadczalne węzłów wykazały, Ŝe węzły

uwaŜane powszechnie za sztywne wykazują często cechy podatnościowe. Jako główne

źródła odkształcalności węzłów moŜna podać:

- odkształcenia panelu środnika słupa, pod wpływem sił z pasów belki oraz ścinania

(rys. 5a),

- odkształcenia płytowych części składowych węzła, głównie blach czołowych (rys. 5b),

pasów słupów, nakładek z kątowników (rys. 5c),

- wydłuŜalność śrub.

478

Rys. 5. Odkształcenia węzłów spowodowane:

a) odkształceniami panelu środnika słupa, b) wygięciem blachy czołowej,

c) odkształceniami nakładek z kątowników

Z drugiej strony, węzły konstruowane jako „przeguby techniczne”, gdzie mocowanie

belki do słupów odbywało się jedynie poprzez środnik belki, wykazywały pewien stopień

utwierdzenia, związany np. z losowością rozmieszczenia śrub czy teŜ zastosowaniem

połączeń ciernych.

Zachowanie się węzłów konstrukcji stalowych opisuje charakterystyka giętna, czyli

zaleŜność M-

– przyrost kąta obrotu węzła (rys.

6a). Węzły sztywne reprezentowane są na rys. 6b przez oś rzędnych, a węzły przegubowe

przez oś odciętych. Większość węzłów konstrukcji stalowych wykazuje cechy węzłów

podatnych. Ich zachowanie się opisuje krzywoliniowa charakterystyka leŜąca między

skrajnymi, przyjmowanymi tradycyjnie, modelami węzłów „sztywnych” i „podatnych” (rys.

6b).

, gdzie: M – moment działający na węzeł,

Rys. 6. Charakterystyka podatnościowa węzła:

a) węzeł w konstrukcji, b) model zaleŜności M-

Wniosek z wykonanych badań doświadczalnych jest taki, Ŝe praktycznie wszystkie

węzły, nawet uŜebrowane, naleŜy uwaŜać za podatne. Przedstawiono to schematycznie na

rys. 7.

479

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: