jeklene konstrukcije i 8.0 preČni prerezi · katedra za metalne konstrukcije jeklene konstrukcije...
TRANSCRIPT
Univerza v Ljubljani
Fakultetaza gradbeništvoin geodezijo
Katedra za metalne konstrukcije
JEKLENE KONSTRUKCIJE I
8.0 PREČNI PREREZI
prof. dr. Darko BegSodelavec: Blaž Čermelj
Razred Upogibna nosilnost prereza Globalna analiza Rotacijska kapaciteta
1. razred plastična plastična dovolj velika, da omogoči razvoj porušnega mehanizma
2. razred plastična elastičnaomejena, razvoj plastičnega členka (običajno razvoj prvega plastičnega
členka)
3. razred elastična elastična ne obstaja
4. razred elastična na sodelujočem prerezu elastična ne obstaja
Razvrščanje prečnih prerezov v štiri razrede kompaktnosti
Razvrščanje prečnih prerezov v štiri razrede kompaktnosti
1. razred
3. razred
4. razred
Mel,Rd
Mpl,Rd, Mpl
θ
MplM
2. razred
1. razred
+
-
+
Razmejitev med vitkimi in semikompaktnimi prerezi
0.673yp
cr
f
2 2
2 2
/ (28, 4 ) 0.673
12(1 )
yp
f b kE k t t
b
2
23,5/yf kN cm
ni nevarnosti lokalnega izbočenja
-t
/ 42d t d/ 124d t
Čisti tlak Čisti upogib
c
-Tlačeni previsni del
2 c
-Pasnica (tlačena)
14ct
2 28ct
1/ 42 / (0.67 0.33 )
1
/ 62 (1 )
d t
d t
-t
d
Upogib in tlak
c/t ≤ 72ε1
2
3
c/t ≤ 38εc/t ≤ 83ε
c/t ≤ 33ε
c/t ≤ 124ε c/t ≤ 42ε
1
2
3
c/t ≤ 9ε
c/t ≤ 10ε
c/t ≤ 14ε
c/t ≤ 9ε/α
c/t ≤ 10ε/(α )c/t ≤ 10ε/α
c/t ≤ 10ε/(α )
c/t ≤ 21ε ), za kσ glej EN 1993-1-5
Vitki prerezi
• Metoda sodelujoče širine (lokalno izbočenje)
• beff = b• = ()
Lokalno izbočenje vitkih prerezov
t
Normalne napetosti
realno obnašanje pločevin- nelinearna teorija izbočenja- postkritična nosilnost
2
1
p(linearna teorija izbočenja; idealno ravna, elastična pločevina)
yp
cr
f
uu
yf
1,0
1,0
I IIIII
I – ni lokalnega izbočenja, polna nosilnost fy – majhne vitkosti
II – zmanjšanje nosilnosti zaradi lokalnega izbočenja,vpliv zaostalih napetosti in wo – srednje vitkosti
III – postkritična nosilnost – velike vitkosti,nosilnost višja kot pri linearni teoriji izbočenja
2 2
2 2
12(1 ) 128.4
y yp
cr
f f b bE t K t K
2
23,5/yf kN cm
wo (izbočenje)
Vpliv geometrijske nepopolnosti pri vitkih pločevinah
Elastični odziv vitkih pločevin Elasto-plastični odziv pločevin
crit
1,0
w0w
Nepopolna pločevina
Idealno ravna pločevinacrit
1,0
0w
Idealno ravna pločevina
Nepopolna pločevina
Vpliv nepopolnosti
Geometrijska nepopolnost - nelinearna teorija izbočenja pločevin
Pojem sodelujoče širine
effbb
0.673ppri
b
max1
y
M
f
beff / 2 beff / 2
1.0
1 0.221p p
0.673ppri
Winterjeva sodelujoča širina
Postkritična nosilnost
Redukcija zaradi nepopolnosti
(linearna teorija izbočenja)
=
1 0.22 / p
p
2
1
p
p
(Winter)
1
Račun sodelujočih širin
2
1
1
2
1 1 11 1 1
2 2 0 2 0 2 1 2 1
2
1 1
0 0
2 1
1 1
1
SIST EN 1993-1-5: 2
1,0 0,5 0,085 0,055
0,055 30,5 0,085 0,055
p
pp
p
pri
pri
Pločevine, prečno podprte ob obeh vzdolžnih robovih:
Pločevine z enim prostim vzdolžnim robom:
1,0 0,748
0,1880,748
p
pp
p
pri
pri
SIST EN 1993-1-5:
1
Podprti vzdolžni rob, ψ = 1
Podprti vzdolžni rob, ψ = 0
Podprti vzdolžni rob, ψ = ‐1
Prosti vzdolžni rob
Zveza med in vitkostjo pločevine
effbb
p2,01,00,673
1,0
2
1
p
effbb
p
1 0,22 / p
p
Za razporeditve napetosti, ki niso konstantne
eff
eff
c
bb
bb
(celotne širina je tlačena)
(del širine je tlačen - bc)
-
-
bc
b ( )p f b
+
Sodelujoča širina pri pločevinah, podprtih ob obehvzdolžnih robovih
Sodelujoča širina pri pločevinah z enim prostimvzdolžnim robom
Sodelujoča širina pri pločevinah z enim prostimvzdolžnim robom
Sodelujoča širina pri prečnih prerezih
Pri vitkih prerezih obravnavamo vsako pločevino zase - sodelujočo širino določimo za vsako pločevino posebej.
-
+
--
-+
--
-
+
-+
Sodelujoč (efektivni) prerez določen s sodelujočo širino
Račun geometrijskih karakteristik: Aeff, Weff, Jeff
Rezultat je sodelujoč prerez, v katerem izbočenih delov pločevin ne upoštevamo. Obravnavamo ga enako kot prereze 3. razreda kompaktnosti.
Sodelujoč prerez – čisti tlak Sodelujoč prerez – čisti moment
Zaradi nesimetričnega razporeda sodelujočih širin se lahko sodelujočemu prerezu spremeni lega težišča glede na začetni prerez:
• osna sila – eN (samo nesimetrični prerezi);• moment – eM.
Razvije se dodatni moment M = N eN
Račun geometrijskih karakteristik: Aeff, Weff, Jeff
eN
Nosilnost vitkih prerezov
0
yN
eff eff M
fM NeNA W
eN
4. razred kompaktnosti
Strižna podajnost pasnic – shear lag
Pri širokih pasnicah se zaradi strižne podajnosti pojavi neenakomeren razpored napetosti (shear lag). Upoštevamo ga lahko z metodo sodelujoče širine – v tlaku in nategu.
Strižna podajnostStrižno podajnost pri stavbah upoštevamo le izjemoma. Pri standardnih vroče valjanih in podobnih varjenih profilih ga zanemarimo, pri ostalih profilih pa, če je izpolnjen pogoj:
Točnejši izračun – glej SIST EN 1993-1-5
Elastična kontrola pri kombinaciji napetosti
• x,Ed = vzdolžna napetost v opazovani točki• z,Ed = prečna napetost v opazovani točki• Ed = strižna napetost v opazovani točki
2 2 2
, , , ,
0 0 0 0 0
3 1,0/ / / / /x Ed z Ed x Ed z Ed Ed
y M y M y M y M y Mf f f f f
Z X
Misesov pogoj tečenja – začetek plastifikacije (v eni točki)
Ta pogoj je v primerjavi s kriterijem plastične nosilnosti prečnega prereza zelo konservativen (npr. interakcija M-V).
Projektna nosilnost prečnih prerezov
Prečni prerezi v nategu (vsi razredi kompaktnosti)
, 00
, 1 .0yp l R d M
M
A fN
• Projektna nosilnost bruto prereza:
• Pogoj duktilne porušitve:
• Projektna nosilnost neto prereza:
, 22
0.9 , 1.25net uu Rd M
M
A fN
A (bruto)
, ,pl Rd u RdN N 2
00,9y Mnet
u M
fAA f
jekloS235J0 0.907 0.824S355J0 1.016 0.915S460M 1.183 1.076
0 1.00M 0 1.10M
• Prečni prerezi v tlaku
0M
yRd,pl
fAN
4. razred kompaktnosti
0M
yeffRd,c
fAN
1., 2. in 3. razred kompaktnosti
• Prečni prerezi v enoosnem upogibu
1. in 2. razred kompaktnosti
3. razred kompaktnosti
,0
pl yEd pl Rd
M
W fM M
,0
el yEd el Rd
M
W fM M
4. razred kompaktnosti
,0
eff yEd c Rd
M
W fM M
Strižna nosilnost jeklenih prečnih prerezov
Strige prevzemajo predvsem pločevine, vzporedne strižni sili.
EdVt I
3
yEd Ed
v
fV VA t d
td
EdV
, ( )3 3y v y
pl RdMo
f A fV
ItSVEd
,0
72 ,
31 ,
3y
pl RdM
dtalid akt d
d t fV
,
1
72
31 ,
, ( )3
w ybw Rd w w
M
dtalid akt d
d t fV f
Vitka stojina (SIST EN 1993-1-5)Kompaktna stojina (SIST EN 1993-1-1)
R
V=RV
a
d dt 2
2
4,05,34 1,0
5,344,0 1,0
k pri
k pri
ad
• Prečni prerezi v strigu
Za jekla S235 do S460 = 1.2 , za jekla višje trdnosti = 1.0
Toga robna podpora Podajna robna podpora
0,83 / w
0,83 / 1,08 w 0,83 /w 0,83 /w
1,08 w 1,37 / 0,7 w 0,83 /w
3 ... 1.0 1.2
1 ... toga robna podpora
2 ... podajna robna podpora
w
Določanje uklonske nosilnosti prečnih ojačitev
N S
b
l u=0.75*b
uklonska krivulja c, uklon okoli osi 1-1
15 t W 15 t W
t W1 1
t W1 1
e
T
pre~na oja~itev
stojina
prečna ojačitev
Površina strižnega prereza Av
Površina strižnega prereza Av
• Torzijsko obremenjeni prečni prerezi
0,1TT
Rd
Ed
TEd = Tt,Ed + Tw,Ed
Tt,Ed prispevek enakomerne (St. Venantove torzije)
Tw, Ed prispevek ovirane torzije.
Neovirana torzijaOvirana torzija
,, 22
t Edt Ed
Tr t
32tI r t ( 1)tr
Enakomerna torzija - cevi
2 22 ( ) ( )w f wt
w f w
w f
h t b tI h t b t
t t
,, , 2 ( ) ( )
t Edt Ed f
w f w f
Th t b t t
,, , 2 ( ) ( )
t Edt Ed w
w f w w
Th t b t t
Enakomerna torzija – škatlasti prerezi
3 31 ( 2 )3t w w fI h t b t
3 2
24f fb t h
I
,, ,
t Ed ft Ed f
t
T tI
,, ,
t Ed wt Ed w
t
T tI
,, 1,5 EdEd
f f
Th b t
, 2 / 6
EdEd
f f
Bb t h
Torzija pri odprtih prerezih
• I in H profili
, ,Ed pl T RdV V
,, , ,
0
11,25 /( 3 )
t Edpl T Rd pl Rd
y M
V Vf
, ,, , ,
0 0
11, 25 /( 3 ) /( 3 )
t Ed w Edpl T Rd pl Rd
y M y M
V Vf f
• U profili
,
,
t Ed
w Ed
strižna napetostpri enakomerni torziji
strižna napetostpri ovirani torziji
• Torzijsko obremenjeni prečni prerezi
Nosilnost kompaktnih prerezov (M + N)• 1. in 2. razred kompaktnosti (enoosni upogib)
, ,/N Rd pl RdM M
,/Ed pl Rdn N N HEB 800 (šibka os)
HEB 800 (močna os)
HEB 200 (šibka os)
HEB 200 (močna os)
2
,,
, 1
Rdpl
Ed
Rdpl
RdN
NN
MM
točna zveza
Plastična nosilnost za enoosni upogib z osno silo
Prerez Nivo osne sile
n = NEd / Npl.Rd a = (A-2btf )/A ; a 0.5 (I, H profili)aw = (A - 2bt)/A ; aw 0.5 (HOP) aw = (A-2btf)/A ; aw 0.5 (varjeni)
y y
btf
zz
, , , , , ,1
(1 0.5 )N y Rd pl y Rd pl y RdnM M M
a
2
, , , , 11N z Rd pl z Rdn aM M
a
, , , ,N z Rd pl z RdM M
,N RdM
, , , ,N y Rd pl y RdM M
, , , ,N y Rd pl y RdM M
, , , , , ,1
(1 0.5 )N y Rd pl y Rd pl y Rdw
nM M Ma
h
b
tyy
z
0.5 0.25n a
0.25 0.5n ali n a
0.5n a
0.5n a ali n
0.5 0.25wn a
0.25 0.5 wn ali n a
z
Plastična nosilnost za enoosni upogib z osno silo
Prerez Nivo osne sile
za vse vrednosti n
n = NEd / Npl.Rd af = (A - 2ht)/A ; a 0.5 (HOP) af = (A-2htw )/A ; a 0.5 (varjeni)
, , , , , ,1
(1 0.5 )N z Rd pl z Rd pl z Rdf
nM M Ma
, ,N Rd pl RdM M
,N RdM
, , , ,N z Rd pl z RdM M
1,7, , 1,04(1 )N Rd pl RdM M n
2, , (1 )N Rd pl RdM M n
0.5 0.25fn a
0.25 0.5 fn ali n a
0.15n
0.15n
h
b
tw
yy
z tf
Plastična nosilnost za dvoosni upogib z osno silo
,
,
y Ed
Ny Rd
MM
,
,
z Ed
Nz Rd
MM
Interakcijski diagram za dvoosni upogib z osno silo
kjer je n = NEd / Npl,Rd
I in H profili Pravokotni votli profili
,
,
y Ed
Ny Rd
MM
,
,
z Ed
Nz Rd
MM
Račun geometrijskih karakteristik značilnih prerezov
max,
,,
pl
iplnormpl W
WW
max,
,,
el
ielnormel W
WW
• 3. razred kompaktnosti
, ,
, , , , ,
1,0y Ed z EdEd
pl Rd y el Rd z el Rd
M MNN M M
• 4. razred kompaktnosti
ali
ali
, ,
, , 0
y Ed yz EdEd
el y el z M
M fMNA W M
, ,
, ,min , ,min 0
y Ed Ed Ny yz Ed Ed NzEd
eff eff y eff z M
M N e fM N eNA W W
, ,
0 , ,min 0 , ,min 0
1.0/ / /
y Ed Ed Ny z Ed Ed NzEd
eff y M eff y y M eff z y M
M N e M N eNA f W f W f
Interakcija strig, upogib in osna sila
2 2
2 2
3
3( )
r y
r yw
f f
Vf fh t
a) b)
SIST EN1993-1-1
Interakcija strig + upogib
Plastična nosilnost
a)
b)
a)
b)
SIST EN1993-1-1
Interakcija striga in upogiba (vsi razredi kompaktnosti)
• Vpliv interakcije pri VEd 0,5Vpl,Rd
• Zaradi striga reducirana upogibna nosilnost:
2
,
, , , ,0
4w
pl y yw
y V Rd y c RdM
AW f
tM M
1.0
1.0
0.5
,
Ed
pl Rd
VV
,
Ed
pl Rd
MM
,f RdM
( )V
( )M
( )M
( )M
hwhw
Aw
2
,
21Ed
pl Rd
VV
, , , , ,( )(1 )y V Rd f pl Rd f y c RdM M M M M
Af
ht
ali
f f tM A h
Mf
fy
(1-)fy
. .
.
y c Rd
pl Rd
MM
Projektna nosilnost prečnih prerezov –M, N, V
0
(1 )
Ed
yw
M
Nx ft
2
wh xy
1. ,2. RAZRED KOMPAKTNOSTI
2
,
2 1
Ed
pl Rd
VV
,
0
/ 3
v ypl Rd
M
A fV
, , , , , e , Ed pl N Rd f Rd pl w R d RdM M M M
, , e ,
0
1
w y
pl w R d RdM
y t f x yM
,
, , ,
1,0 y EdEd
pl Rd el y Rd
MNN M
3. RAZRED KOMPAKTNOSTI2
,
2 1
Ed
pl Rd
VV
,
0
/ 3
v ypl Rd
M
A fV
, ,
, , , ,
1,0 y Ed w RdEd
pl Rd el y Rd pl Rd
M MNN M M
ali poenostavljeno
4. RAZRED KOMPAKTNOSTI
,
0 0
1,0/ /
y Ed Ed NyEd
eff y M eff y M
M N eNA f W f
2
,
2 1
Ed
b Rd
VV
, , , b Rd bw Rd bf RdV V V
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
Poenostavljena in natančna enačba, ρ = 0
Poenostavljena enačba, ρ = 0.2
Poenostavljena enačba, ρ = 0.4
Poenostavljena enačba, ρ = 0.6
Natančnejša enačba, ρ = 0.2, HEB 200
Natančnejša enačba, ρ = 0.4, HEB 200
Natančnejša enačba, ρ = 0.6, HEB 200
Natančnejša enačba, ρ = 0.2, HEB 800
Natančnejša enačba, ρ = 0.4, HEB 800
Natančnejša enačba, ρ = 0.6, HEB 800
Projektna nosilnost prečnih prerezov 3. razreda kompaktnosti
Rdyel
Edy
MM
,,
,
Rdpl
Ed
NN
,