xiii wybrane zagadnienia mechaniki i projektowania lekkich

xiii wybrane zagadnienia mechaniki i projektowania lekkich

XIII
WYBRANE ZAGADNIENIA MECHANIKI
I PROJEKTOWANIA LEKKICH
KONSTRUKCJI STALOWYCH
Katarzyna RZESZUT
Wstęp
W ostatnich latach rozwój stalowych konstrukcji cienkościennych związany jest przede
wszystkim z postępem technicznym wytwarzania i montażu elementów profilowanych na
zimno. Kształtowanie głównych elementów nośnych konstrukcji z bardzo cienkich blach jest
korzystne nie tylko z ekonomicznego punktu widzenia, ale również odpowiada wymaganiom
budownictwa zrównoważonego. Konstrukcje wykonane z kształtowników giętych pozwalają
spełnić wymagania funkcjonalności, estetyki i bezpieczeństwa z równoczesnym
uwzględnieniem warunków społecznych, środowiskowych i ekonomicznych. Należy
podkreślić fakt, że niskie zużycie stali ma szczególnie korzystny wpływ na ochronę
środowiska, gdyż produkcję stali tak na etapie pozyskiwania surowców jak i wytwarzania
materiału i produktów charakteryzuje bardzo wysoka energochłonność, a co za tym idzie duży
koszt produkcji oraz wysoki poziom emisji zanieczyszczeń. Produkcja stalowych konstrukcji
profilowanych na zimno odbywa się z zastosowaniem nowoczesnych, wysoce
zautomatyzowanych procesów gięcia, cięcia i wiercenia. Obniżenie kosztów związanych z
wbudowaniem elementów uzyskiwane jest poprzez zapewnienie szybkiego i łatwego
montażu, zastosowanie zunifikowanych systemów oraz typowych rozwiązań węzłów.
Łatwość profilowania kształtowników giętych sprawia, że do dyspozycji projektantów jest
prawie nieograniczona gama kształtowników o wymaganych cechach wytrzymałościowych i
użytkowych umożliwiających projektowanie optymalnych układów konstrukcyjnych.
Projektowanie tego typu konstrukcji musi uwzględniać aspekty związane z ochroną
przeciwkorozyjną i przeciwpożarową oraz ochronę przed utratą stateczności globalnej,
lokalnej i dystoryjnej. Zagadnienia związane z zabezpieczeniem przeciwkorozyjnym
konstrukcji profilowanych na zimno są obecnie dobrze rozpoznane i w praktyce inżynierskiej
dostępne są już bardzo skuteczne rozwiązania technologiczne zapewniające wysoką
odporność korozyjną. Natomiast ochrona przeciwpożarowa stanowi jeszcze otwarte pytanie
jak skutecznie zabezpieczać stalowe konstrukcje gięte. Jednakże najpoważniejsze zagrożenie
wyczerpania nośności cienkościennych konstrukcji stalowych stanowi utrata stateczności.
Graniczna nośność konstrukcji ze względu na utratę stateczności zależy od wielu czynników,
a przede wszystkim od nieuniknionych imperfekcji konstrukcji. Przez imperfekcje rozumiemy
odchyłki konstrukcji rzeczywistych od konstrukcji idealnych. Odchyłki te dzielą się na
1
fizyczne, geometryczne i technologiczne. W stalowych konstrukcjach giętych zwykle
przyjmują one formę lokalnych i globalnych imperfekcji geometrycznych, podatności węzłów
i luzów w połączeniach. Mogą one drastycznie zmniejszyć wartość obciążenia granicznego w
stosunku do obciążenia krytycznego konstrukcji idealnej, wolnej od imperfekcji. W
przypadku cienkościennych konstrukcji stalowych często dochodzi do wyboczenia
interakcyjnego, gdy przy tym samym lub zbliżonym poziomie obciążeń pojawiają się różne
postaci wyboczenia lokalnego wraz z postacią globalną. Wówczas konstrukcje wykazują dużą
wrażliwość na imperfekcje, które często powodują że ścieżka po-krytyczna staje się
niestateczna. Zjawisko to komplikuje się jeszcze bardziej gdy dochodzi do interakcji
imperfekcji geometrycznych i luzów w połączeniach śrubowych konstrukcji cienkościennych
powstałych pod wpływem obciążeń cyklicznie zmiennych lub wprowadzanych w celu
zapewnienia poprawnego montażu konstrukcji. Zatem, w procesie projektowania niezbędna
jest pełna analiza zjawiska stateczności w zakresie przed- i po-krytycznym, uwzględniająca
wpływ imperfekcji i luzów tak w warunkach normalnych jak i pożarowych. Pomimo istnienia
odpowiedniego oprogramowania komputerowego wspomagającego warsztat projektanta oraz
wytycznych projektowania zawartych w normach, zagadnienie to nadal nie jest w pełni
rozpoznane i jest przedmiotem współczesnych badań naukowych.
Słowa kluczowe: konstrukcje cienkościenne, stateczność, imperfekcje geometryczne, MES.
2